Безлюдное производство - -*новый или неперечисленный*- - Скачать бесплатно
Министерство образования и науки Украины
Национальный аэрокосмический университет
им. Н. Е. Жуковского «ХАИ»
Кафедра робототехники
Реферат на тему:
«Безлюдное производство»
Выполнил студент гр. 118
Толстяк Константин
Харьков 2001 г.
На наших глазах происходит глубокое изменение характера труда
производственного рабочего. Было время, когда работа велась полностью на
универсальных станках (токарных, фрезерных, сверлильных и т. п.), на
которых рабочий мог вытачивать или фрезеровать, или сверлить любую деталь
(в пределах возможностей данного станка). Тогда все обеспечивалось
искусством ручного труда рабочего. Ручным трудом человека определялись и
другие виды производственных операций (литье, сварка, сборка изделий).
Недаром в те годы употреблялся термин «рабочие руки» (требуются «рабочие
руки»). То же самое наблюдалось и в других отраслях промышленности
(электротехнической, легкой, текстильной, пищевой), а также в
горнодобывающих отраслях и на строительных работах. Ручной труд был
основным и в транспортных операциях (при погрузке-разгрузке) как в масштабе
страны, так и в ограниченных условиях завода или цеха.
Огромным шагом на пути технического прогресса явилась в прошлом
механизация человеческого труда во всех его видах, в первую очередь на
трудоемких, тяжелых, вредных работах. С развитием механики, многочисленных
ее приложений и энергетики многое сделано для существенного облегчения
труда человека и увеличения производительности труда. Постепенно во всех
промышленных отраслях вместо отдельных станков появились механически и
электрически взаимосвязанные технологические линии, содержащие комплексы
производственного оборудования. Появились конвейерные линии, роторные
линии, угольные комбайны, сельскохозяйственные машины.
Успехи механизации стали дополняться автоматизацией производственных
процессов на основе достижений автоматики, теории и практики
автоматического регулирования, без применения которых невозможны были бы
многие виды технологии, энергетики, функционирование многих машин не только
во всех видах производства, но и на транспорте и в сельском хозяйстве.
Именно автоматизация в сильнейшей степени способствовала увеличению
эффективности производства во всех отраслях народного хозяйства страны.
Сочетание механизации и автоматизации в едином комплексе с применением
электротехнических и электронных средств и средств измерительной техники
потребовало уже анализа наиболее целесообразного сочетания этих средств в
единой технической системе, чтобы в целом получить наибольшую эффективность
и надежность работы при наименьшей стоимости.
В связи с этим возникла необходимость в развитии соответствующих
методов системотехники, общей теории управления и системного анализа.
Значение этого нового научно-технического направления особенно усилилось в
связи с усложнением продукции, укрупнением производственных предприятий,
значительным расширением кооперации между предприятиями и между отраслями
промышленности.
Сложность процессов управления превысила человеческие возможности
своевременно оценивать возникающие сложные ситуации, выбирать
наивыгоднейшие варианты организации взаимосвязей как в сложных технических
системах, так и в отношениях с партнерами, участвующими в общем
производственном процессе, с потребителями и поставщиками сырья и
оборудования. Трудно стало в таких условиях «вручную», на основе личных
способностей и опыта, создавать отлаженное производство с бесперебойным
ходом всех его внешних и внутренних процессов и увязывать все этапы
планирования в масштабах народного хозяйства, исходя из заданного
ограничения ресурсов.
Возникла совершенно новая (по сравнению с механизацией и малой
автоматизацией технологических процессов) проблема — автоматизация
умственной деятельности человека. Это стало одним из основных элементов
новой научно-технической политики, основанной на достижениях теории
управления, кибернетики и на базе широкого применения электронной
вычислительной и измерительной техники. Применение вычислительной техники
сделало возможным выполнение таких работ и получение таких результатов,
которые раньше были совершенно немыслимы. Конечно, и в этих условиях новые
достижения физики и химии, как и раньше, продолжают играть важнейшую роль в
совершенствовании технологических процессов и в ускорении научно-
технического прогресса. Но мы хотим обратить сейчас главное внимание на
роль теории управления и вычислительной техники именно в автоматизации
умственного труда человека в процессах управления производством, в
процессах проектирования, планирования, учета и контроля, в организации
работ коллективов людей, проведении прикладного научного эксперимента и т.
п. Очевидно, что проблема эта чрезвычайно многогранна. Робототехнике и
гибким производственным системам сейчас принадлежит ведущая роль в
интенсификации экономики, повышении эффективности производства наряду с
использованием передовых технологических процессов и технологического
оборудования. Вместе с тем развитие робототехники и гибких производственных
систем имеет и первостепенное социальное значение: коренным образом
меняется облик рабочего на производстве и характер труда всего заводского
персонала.
Конечно, появление робототехники и гибких производственных систем не
отменяет использования в отдельных случаях прежнего типа универсальных
станков и приспособлений, применения малой механизации и автоматизации
прежнего типа и т. д. Они могут еще по-своему совершенствоваться и
применяться там, где это необходимо и целесообразно. Большое значение имеют
также и новые роторно-конвейерные линии.
Что же касается робототехники и гибких производственных систем, то
можно сказать, что основой их является комплекс достижений и механики, и
управления, и вычислительной и информационной техники. В этом смысле здесь
имеется тесное сочетание автоматизации и механизации производственных
процессов с широкой автоматизацией умственного труда.
Посещение современного машиностроительного предприятия оставляет
неизгладимое впечатление. Всего несколько лет назад такие предприятия
представляли собой скопища металлорежущих или иных станков, управляемых
вручную. Каждый станок обслуживал отдельный оператор, действовавший
согласно разработанным инструкциям. Рабочие выполняли и такие важные
операции, как перенос партий деталей различной стадии готовности с одного
станка на другой.
В настоящее время картина меняется. Многие операции механической
обработки осуществляются исключительно станками, которые управляются ЭВМ и
значительную часть времени могут функционировать без вмешательства
человека. Команды на станки поступают не от цехового персонала, а по сетям
передачи данных — с компьютеров, находящихся на другом участке предприятия.
А установки типа роботов играют значительную роль в выполнении таких
важнейших производственных операций, как транспортировка деталей, сварка,
окраска, и даже в, требующих исключительной точности, сборочных операциях,
в частности, при монтаже миниатюрных электронных компонентов на печатных
платах.
Внедрение промышленных роботов занимает немаловажное место в общем
процессе компьютеризации производства, результаты которого все сильнее
ощущаются на промышленных предприятиях многих стран Такое эволюционное
развитие оказывает особенно сильное влияние на те отрасли обрабатывающей
промышленности, которые выпускают продукцию в виде штучных изделии
независимо от того, из какого материала они выполнены -- ткани, металла,
пластмассы или древесины. Каждое изделие должно изготавливаться
индивидуально путем обработки исходных материалов. Другой основной тип
промышленности — так называемое непрерывное производство — имеет свои
особенности: выпускаемая продукция, по крайней мере, на некоторых этапах
технологического цикла, находится либо в газообразном или жидком состоянии,
либо в виде порошка.
При производстве штучных изделий важнейшие операции выполняются
машинами, которые режут, долбят, нагревают, сверлят, куют, красят, вяжут,
ткут или сваривают исходный материал. Сырьем здесь всегда служат твердые
вещества. Многие годы предпринимаются усилия максимально автоматизировать
такие процессы, чтобы снизить расходы на оплату производственного
персонала, ускорить выпуск продукции и повысить ее качество. После того как
специализированное автоматическое оборудование для выполнения конкретной
технологической операции введено в эксплуатацию, оно способно многократно
повторять эту операцию при минимальном вмешательстве человека. При таком
типе механизации производства (называемом в инженерных кругах «жесткой»
автоматизацией) автоматический станок может, например, раз за разом
просверливать отверстие в указанной точке одинаковых металлических
болванок, а, скажем, система для окраски распылением, действующая на
автомобильном заводе, будет наносить покрытие на идентичные детали по мере
того, как они продвигаются по конвейеру.
Такой вид автоматизации отличается одним существенным недостатком. Он
применим только в тех случаях, когда изделия выпускаются очень большими
партиями, а их номенклатура меняется крайне редко. На установку и ввод в
эксплуатацию подобного оборудования тратится так много времени и сил, что
соответствующие расходы оправдываются только в том случае, когда оно
рассчитано на непрерывный выпуск продукции в течение многих недель или
месяцев. Если же предприятию необходимо постоянно менять ассортимент
производимых изделий в соответствий с колебаниями спроса, то жесткая
автоматизация оказывается нерентабельной. Тогда нередко приходится
отказываться от внедрения оборудования с наивысшей степенью автоматизации и
делать ставку на традиционные ручные методы выпуска продукции.
Многие производственные процессы связаны с различными манипуляциями
технологическими объектами. Речь идет, например, об операциях снятия
деталей со станков или конвейеров, об упаковке, сборке, фиксации заготовок
в ходе обработки, а также о манипуляциях такими рабочими инструментами, как
сверла и сварочные электроды. При жесткой автоматизации производственного
процесса выполнение подобных операций можно возложить на специализированные
автоматы, каждый из которых выполняет одну конкретную операцию. Если же
жесткая автоматизация неприменима, такие операции редко удается
механизировать — их приходится выполнять людям; вот почему в цехах
традиционных производственных предприятий погрузочно-разгрузочными и
другими вспомогательными операциями занимается так много рабочих.
Однако все сказанное относится к предприятиям, работающим «по
старинке». Внедрение роботов, олицетворяющих собой «гибкую» автоматизацию,
позволит осуществлять целый ряд производственных процедур нового типа. Эти
устройства можно запрограммировать на выполнение различных работ, поэтому
они легко переключаются с одной задачи на другую при изменении номенклатуры
выпускаемой продукции. Не составляет, например, особого труда заложить в
память робота программу, в соответствии с которой, он будет снимать с
конвейера детали различных размеров и форм. Следовательно, роботы особенно
выгодны для предприятий, изготавливающих продукцию мелкими партиями, причем
тип изделия меняется от партии к партии. Предприятия такого рода
распространены гораздо шире, чем те, которые в течение длительного времени
непрерывно выпускают одно и то же изделие.
Практические выгоды
Для предприятий средне- и мелкосерийного производства роботы как
образцы средств гибкой автоматизации обладают несомненными достоинствами,
которые можно разделить на три группы. Джозеф Энгелбергер, основатель
компании "Юнимейшн" и один из пионеров робототехнической промышленности,
перечисляет эти достоинства в своей книге "Практическая роботика":
1. Роботы представляют собой готовые к применению средства
автоматизации, поскольку компании-поставщики уже провели большие работы по
производственной специализации такого оборудования. Применение роботов
позволяет в значительно более сжатые сроки вводить в строй новые
технологические линии, а это в свою очередь содействует скорейшему
внедрению оригинальных разработок в серийное производство.
2. Снижается объем требуемых наладочных операций. После того как
принято решение установить на предприятии промышленные роботы, требуется
обеспечить их сопряжение с другими
технологическими установками. Все это оборудование необходимо отладить
с целью устранения дефектов, скажем, в программных средствах, и для роботов
значительную часть такой работы проводит фирма-поставщик.
3. Роботы можно использовать и после того, как завершится выполнение
задачи, на которую они были первоначально рассчитаны. Не исключено, что
линия по производству изделий, где на робот возложены конкретные функции,
будет действовать всего полгода или год. Затем номенклатура выпускаемых
изделий меняется, и предприятию, возможно, придется "списывать"
оборудование такой линии. Однако, поскольку робот в принципе
программируется для решения различных задач, его можно снять с данной
производственной линии и перебросить на другую. При использовании средств
жесткой автоматизации подобная замена исключена, ибо они способны выполнять
операции только одного типа. Когда подобное оборудование завершает работу в
рамках технологического процесса, для которого оно предназначено, у него
обычно остается лишь один путь - из заводского цеха в металлолом.
Не следует думать, что только роботы вписываются в современную
концепцию гибкой автоматизации; на промышленных предприятиях встречаются и
другие виды оборудования, действующего в соответствии с этими принципами. К
подобным техническим средствам можно отнести металлорежущие станки с
компьютерным числовым программным управлением (КЧПУ) и самодвижущиеся
тележки, называемые также автоматическими транспортными средствами, которые
перевозят детали с одного производственного участка на другой. Станки с
КЧПУ оснащаются режущим инструментом и другими приспособлениями для
обработки металлических деталей и управляются ЭВМ. Робот может составлять
как бы единое целое со станками с КЧПУ, подавая на них детали для
обработки.
На большинстве современных предприятий производственные участки, где
выполняются различные фазы технологического процесса, соединены между собой
сетью передачи данных. Таким образом, компьютеризованные установки во всех
подразделениях подобного предприятия обмениваются информацией, т. е.
выполняемые ими функции полностью взаимосвязаны.
Предположим, в проектном отделе предприятия разрабатывается новый тип
комплектующего изделия - скажем, металлическая крышка картера для коробки
передач нового типа. После того как специалист подготовит соответствующий
чертеж (но не на бумаге, а на экране дисплея ЭВМ - с использованием так
называемой системы автоматизированного проектирования, или САПР), он
нажимает ряд кнопок на клавишной панели ЭВМ. Таким путем на
компьютеризованный металлообрабатывающий станок, расположенный в заводском
цехе, передается программа, описывающая процесс изготовления новой крышки
картера. Данная информация распространяется по сети связи, которая
соединяет между собой все подразделения предприятия во многом аналогично
тому, как телефонная сеть общего пользования связывает учреждения и
индивидуальные жилища в городах.
В результате станок обрабатывает металлическую заготовку в соответствии
с командами, заложенными в машинной программе. Сочетание средств
компьютеризованной графики с КЧПУ-установками называется системой
автоматизированного проектирования - автоматизации производственных
процессов (САПР/САПП).
Нередко разнообразными операциями по перемещению материалов и
комплектующих изделий занят целый ряд роботов и автоматических транспортных
средств. В частности, комплекс, состоящий из таких устройств, может
использоваться для снятия металлической детали (в рассматриваемом случае -
крышки картера) со станка и отправки ее в сборочный цех, где роботы
соединяют эту деталь с другими металлическими компонентами, например с
корпусом коробки передач.
Финансовые подразделения и складской персонал поддерживают контакты с
производством через другие вычислительные системы. Это позволяет
администрации, планирующей объем выпуска продукции, постоянно быть в курсе
всего, что происходит на каждом участке предприятия. Наконец, готовое
изделие отправляют на автоматизированный склад. Там оно хранится в
специальном контейнере до тех пор, пока на него не возникнет спрос. Тогда
отдел сбыта затребует его со склада, откуда оно поступит на транспортер для
отгрузки заказчику.
Компьютеризованное оборудование, которое позволяет автоматически
изготавливать небольшие партии изделий, называют гибкими производственными
системами (ГПС). В типичном случае подобная система состоит из трех частей:
собственно обрабатывающего оборудования (это либо станки с КЧПУ, либо
литейные или сборочные установки, непосредственно изготавливающие изделия),
средств транспортировки (роботы или самодвижущиеся тележки) деталей и
системы управления. Как правило, здесь задействован не один компьютер, а
целый иерархический комплекс ЭВМ. К примеру, в памяти диспетчерского
компьютера обычно хранится детальный план работы предприятия. Он содержит
сведения о функциях, выполняемых разнообразными компьютеризованными
станками, описание взаимосвязей между ними, а также данные о требуемом
темпе выпуска продукции. Такой компьютер соединяется с другими
вычислительными машинами, реализующими алгоритмы управления конкретными
устройствами, скажем с роботами или станками с КЧПУ. В свою очередь эти ЭВМ
"второго уровня" могут взаимодействовать с микропроцессорами, размещенными
в самих станках или роботах. Подобная структура образует ряд четко
выраженных трактов, по которым информация поступает на установки,
непосредственно осуществляющие технологический процесс.
Гибкие производственные системы рассчитаны не только на автономное
функционирование. Через другие информационные сети они могут
взаимодействовать с подразделениями непроизводственного характера, например
с плановыми или финансовыми отделами. Как правило, ГПС обладают рядом
преимуществ по сравнению с традиционным оборудованием, управляемым вручную.
Для их обслуживания требуется меньше персонала, поскольку значительная
часть работы возлагается на машины. Детали обрабатываются с большей
точностью: после того как установится требуемый режим работы, ГПС должна
функционировать без перебоев, так как все инструкции по выполнению
производственных операций представлены в виде безошибочных (по крайней
мере, теоретически) программ строго определенного содержания. Все это
представляет разительный контраст с предприятиями, где большинство
технологических операций осуществляется вручную. Люди могут прекрасно
справляться со своим делом в течение 90% рабочего времени, однако в
остальные 10% времени они могут почувствовать усталость или недомогание,
что приведет к существенному ухудшению качества их работы, а следовательно,
и выпускаемой продукции.
Еще один довод в пользу внедрения ГПС состоит в том, что они менее
габаритны, чем аналогичные комплексы оборудования, управляемого вручную. На
обычном заводе большое число установок простаивает значительную часть
рабочего времени. В отличие от этого компоненты ГПС функционируют
практически непрерывно, т. е. ГПС состоит из меньшего количества единиц
оборудования, чем традиционный станочный участок, выполняющий такое же
производственное задание. Следовательно, для установки более современного
оборудования предприятию, по всей вероятности, потребуется меньше площади,
и, кроме того, ему удастся сэкономить на таких накладных расходах, как
плата за отопление и освещение.
Рассмотрим конкретные задачи, которые роботы решают в настоящее время на
промышленных предприятиях. Их можно разделить на три основных категории:
- манипуляции заготовками и изделиями
- обработка с помощью различных инструментов
- сборка.
Манипуляции изделиями и заготовками.
При разгрузочно-загрузочных и транспортных операциях робот заменяет
пару человеческих рук. В его обязанности не входят особенно сложные
процедуры. Он всего лишь многократно повторяет одну и туже операцию в
соответствии с заложенной в нем (роботе) программой. Рассмотрим типичные
применения таких роботов.
1) Загрузочно-разгрузочные работы.
Во многих отраслях машиностроительной промышленности используются
установки для литья, резки и ковки. В большинстве случаев
последовательность выполняемых ими операций весьма проста. Вначале
заготовки загружают в производственную установку, которая затем
обрабатывает их строго определенным образом, и, наконец, готовые детали
извлекают из нее. Загрузку и разгрузку, как правило, выполняют рабочие или
в тех случаях, когда применимы средства жесткой автоматизации,
специализированные механизмы, расчитанные на операции только одного вида.
Роботы могут здесь оказаться полезными, если характер таких загрузочно-
разгрузочных операций время от времени меняется.
Например, в литейном производстве роботы используются как для
дозированной разливки расплавленного алюминия, так и для извлечения из
пресс-формы затвердевших отливок и охлаждения их. Такой подход обладает
двумя преимуществами. Прежде всего, роботы гарантируют более строгое
соблюдение требований технологического процесса: действуют в соответствии с
заданной программой, они всегда вводят в установку точно дозированное
количество металла. Затем в строго определенные моменты времени они
извлекают из нее отформованные детали. Благодаря точному соблюдению
технологического процесса строго соблюдаются и характеристики изделий.
Второе преимущество данного подхода заключается в том, что
значительно облегчается работа оператора. Извлечение раскаленного куска
металла из пресс-формы одна из мало привлекательных работ, и желательно,
чтобы ее выполнял робот . Таким образом роль человека сводится к контролю
за протеканием процесса и управлению действиями робота с помощью
компьютера.
2) Перенос изделий с одной производственной установки на другую.
Во многих отраслях машиностроительной промышленности погрузочно-
разгрузочные механизмы предназначены для перемещения изделий с одного
производственного участка на другой. И при выполнение таких перемещений
роботы играют немаловажную роль.
На заводе фирмы IBM в Пикипси (шт. Нью-Йорк), выпускающем компьютеры,
роботы загружает магнитные диски в систему, где на них записывается
необходимая информация. Программа, управляющая роботом, содержит инструкции
относительно того, в какую из четырех установок для записи следует
загружать тот или иной “пустой” диск. Кроме того, программа задает
конкретный набор команд, который соответствующая установка должна занести
на диск. Тот же робот осуществляет и два других этапа этого
технологического процесса. Он извлекает диск из записывающей установки и
помещает его в устройство, которое струей сжатого воздуха прижимает к
поверхности диска самоклеющуюся метку. Затем робот вынимает диск с помощью
захватного приспособления и упаковывает его конверт .
Подобный робот разработан и внедрен на английском
автомобилестроительном заводе. Он передвигается на гусеницах между пятью
производственными участками завода. Робот извлекает пластмассовую деталь
автомобиля из установки для инжекторного прессования и последовательно
переносит деталь на доводочные участки, где с нее снимаются облои и
заусенцы. Далее робот помещает деталь на специализированный станок, который
полирует ее. И наконец деталь перемещается с полировального станка на
конвейер.
3) Упаковка.
Практически все бытовые и промышленные товары необходимо упаковывать,
и для роботов не представляет сложности поднимать готовые изделия и
помещать в какую-либо тару.
На заводах одной из кондитерских фирм Англии специализированные
роботы занимаются укладкой конфет в коробки. Эти машины весьма сложны и
совершенны. Во-первых они обращаются с продукцией очень аккуратно: сжав
шоколадное изделие, они могут нарушить его форму или раздавить его. Во-
вторых, робот соблюдает высокую точность при укладке конфет в коробки,
помещая их в определенные ячейки коробки .
4) Погрузка тяжелых предметов на конвейер или палеты.
Помимо упаковки миниатюрных изделий, а также промышленных и бытовых
товаров роботы иногда выполняют и погрузку тяжелых предметов. По существу
они здесь заменяют подъемно-транспортные машины, управляемые оператором-
человеком.
Обработка деталей и заготовок .
Хотя роботы, выполняющие обработку изделий с помощью различных
инструментов, и нашли пока менее широкое применение, чем аналогичное
оборудование для транспортировки деталей и заготовок, они
продемонстрировали свою эффективность при решении многих задач.
1) Сварка.
Эта операция чаще всего выполняется с помощью роботов,
предназначенных для манипулирования инструментом. Роботы могут осуществлять
два вида сварки: точечную контактную и дуговую. В обоих случаях робот
удерживает сварочный пистолет, который пропускает ток через две соединяемые
металлические детали.
В соответствии с управляющей программой, сварочный пистолет может
перемещаться практически не отклоняясь от заданной траектории. И если
программа отлажена хорошо, сварочный пистолет прокладывает шов с очень
высокой точностью.
Большинство роботов для точечной сварки применяется в автомобильной
промышленности. При сборке автомобиля необходимо выполнить огромное
количество операций точечной сварки, чтобы надлежащим образом соединить
между собой различные детали кузова, например боковины, крышу и капот. На
современных конвейерах эти детали вначале соединяются временно несколькими
прихваточными сварными соединениями. Далее кузов перемещается по конвейеру
мимо группы роботов, каждый из которых осуществляет сварку в строго
определенных местах. Поскольку все кузова, монтируемые на одной
производственной линии, для получения высококачественных соединений просто
требуется, чтобы робот каждый раз повторял заданную последовательность
перемещений.
При очевидных преимуществах такого использования роботов существует
ряд и серьезных технических проблем. Запрограммировать робот весьма
непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движения манипулятора,
но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируется
напряжение и сила тока в каждой точке маршрута. А эти параметры могут
меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого материала или от
того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную.
Также необходимо сконструировать фиксаторы, удерживающие детали в
процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась при высокой
точности позиционирования. Когда сварочный пистолет держит человек, он
способен учитывать незначительные смещения заготовки. Сварщик-человек лишь
слегка сместит инструмент, с тем, чтобы выполнить шов в заданном месте.
Робот же не способен принимать подобные решения, если фиксаторы допускают
перекос или смещение, то существует вероятность того, что сварные швы будут
расположены с отклонением. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы
манипулятор имел доступ к детали с разных сторон.
Следующая проблема касается допусков на изготавливаемые детали.
Сварщик-человек принимает во внимание неизбежные отклонения в размерах, но
роботу подобная коррекция не под силу. Таким образом, когда сварка
осуществляется с помощью автоматики, допуски на детали, изготавливаемые на
других участках предприятия, должны быть минимальными.
Характер воздействия, которое роботы оказывают на другие этапы
производственного процесса (весьма вероятно, что оно приведет к тесной
привязке всех технологических операций), называется “принципом домино” в
робототехнике.
2) Обработка резаньем.
|
