книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство
.pdfрованных адаптивных РТК для их реализации, сдавае мых потребителю «под ключ».
В СССР на ряде заводов станкоинструментальной про мышленности за последние десять лет разработано и внед рено семейство РТК с элементами адаптации типа АСК. Наиболее высокий уровень автоматизации достигнут в РТК гибкой производственной системы AGK-20, запущен ной в промышленную эксплуатацию в Ивановском стан костроительном объединении в 1981 г. В состав этого РТК входят четыре многооперационных станка с ЧПУ ИР-500 со встроенными измерительными головками, один станок с ЧПУ ИР-800 с приставочными накопителями и транспортный робот, курсирующий между РТК, автома тическим складом и измерительной машиной. Транспор тировка, установка и снятие заготовок, деталей и ин струментов осуществляются автоматически с помощью специального приспособления, размещаемого на плитеспутнике и позволяющего перегрузить инструмент из приспособления в магазин станка. Стружка удаляется посредством автоматического отсоса. Станки оборудованы датчиками контроля фиксации спутников на координат ном столе и измерительными головками. Это позволяет осуществлять адаптивную коррекцию управляющих про грамм в зависимости от точности базирования деталей на спутнике и припуска заготовок.
Мощный РТК с элементами адаптации создан в 1982 г. на Ульяновском заводе тяжелых уникальных станков в составе гибкого участка механообработки АСК-30. В его состав входят многоцелевые станки с ЧПУ, контрольно-измерительная машина и автоматиче ская транспортно-накопительная система, включающая стенды для монтажа приспособлений и установки загото вок на спутниках, стенды для хранения спутников, транс портный робот для перевозки спутников от стендов к станкам и обратно, тележка с бортовым манипулятором для перевозки спутников на столы станков через спе циальные мосты.
Система адаптивного управления АСК-30 в основном аналогична системе управления АСК-20. Однако имеются и отличия. Так, например, после закрепления заготовки на спутнике устанавливается кодовый ключ, соответст вующий данной заготовке и выполняемой технологиче ской операции. С другой стороны, каждый стенд и транс портный робот снабжаются датчиком, идентифицирую щим заготовку по ее кодовому ключу.
91
Ряд адаптивных РТК механообработки разработан в Ленинграде в рамках территориально-отраслевой про граммы «Интенсификация-90». Один из этих РТК пред назначен для токарной обработки деталей типа тел вращения. В его состав входят двенадцать адаптивных станков со встроенными манипуляторами и средствами активного контроля, пластинчатые транспортеры для ав томатической уборки стружки и транспортный робот с бортовым манипулятором МП-14Т, служащий для транс портировки спутников с заготовками, деталями и инстру ментом от автоматического склада к станкам и обратно.
Особенностью данного РТК является то, что в нем используются серийно выпускаемые станки с ЧПУ, ко торые путем соответствующей модернизации были пере деланы в адаптивные станки. Модернизация заключалась, во-первых, в установке на передней бабке станка мани пуляционного робота для загрузки заготовок и выгрузки обработанных деталей, во-вторых, в использовании встроенной системы активного контроля для оперативно го измерения геометрических параметров детали и режу щей кромки инструмента и, в-третьих, в замене системы ЧПУ станков адаптивной системой управления.
Решению этой задачи предшествовал системный ана лиз отечественных роботов, предназначенных для обслу живания основного технологического оборудования, с целью выбора наиболее подходящего робота для данно го РТК с учетом конкретных условий его работы. В ре зультат был взят робот НЦ-ТМ-01, который позволил манипулировать с заготовками и деталями с помощью унифицированной тары без применения сложных нако пителей и приспособлений для поштучной выдачи и пред варительной ориентации деталей.
Система активного контроля включает датчики, уста новленные на передней бабке станка или па станине не посредственно в зоне резанья. Они позволяют оценить точность установки заготовки и погрешность обработки, а также проконтролировать состояние (износ) инструмен та. Принцип действия системы основан на формировании электрического сигнала при размыкании цепи в момент контакта измерительной головки с контролируемой по верхностью детали или инструмента и преобразовании по лученного сигнала в соответствующую коррекцию управ ляющей программы.
Одним из важных элементов адаптивного РТК яв ляется манипуляционно-транспортный робот МП-14Т.
92
Бортовая система управления робота построена по мо дульному принципу. Помимо модулей управления движе нием манипулятора и тележки, она включает модули контроля и диагностики неисправностей, предназначен ные для обеспечения безотказной работы и эксплуата ционной надежности робота. При возникновении серьез ных неисправностей, столкновении с препятствиями яли сходе с трассы происходит автоматическая остановка ро бота с одновременным включением звуковой и световой сигнализации.
Адаптивный РТК механообработки тел вращения уп равляется от центрального компьютера типа СМ-1401. По его команде манипуляционно-транспортный робот на ав томатическом складе загружается спутниками с нужны ми заготовками и инструментом. Затем под управлением бортового компьютера робот движется по определенному маршруту к адаптивным станкам, где осуществляет за планированные погрузо-разгрузочные операции. После этого робот возвращается на автоматический склад, сгру жает там спутник с готовыми деталями и сигнализирует о выполнении задания. Затем центральный компьютер формирует новое задание, и цикл повторяется.
Адаптивные РТК механообработки разрабатываются в странах СЭВ. Так, в НРБ в 1982 г. создана серия РТК, в состав которых входят унифицированные модели токар ных и фрезерных станков и обрабатывающих центров с ЧПУ, манипуляционные и транспортные роботы, устрой ства автоматической смены спутников, конвейеры и конт рольно-измерительные системы. Примером может служить РТК с элементами адаптации типа АТЛ-23, предназна ченный для среднесерийного производства электроприво дов для электрокаров.
Ряд адаптивных РТК механообработки для ГАП со здан в капиталистических странах. Например, швейцар ская фирма «Георг Фишер» разработала РТК, состоящий из двух токарных станков, цепного транспортера-накопи теля, портальных роботов и системы активного контроля. Координированная работа оборудования обеспечивается системой адаптивного управления, осуществляющей кор рекцию управляющих программ на основании информа ции, получаемой по шести каналам контроля качества обработки.
Большое число адаптивных РТК механообработки со здано в Японии. Примером может служить адаптивный РТК фирмы «Дайфуку». Он состоит из станка с системой
93
адаптивкого управления, обеспечивающего токарную об работку, сверление и нарезание резьбы, манипуляционно го робота типа «Фанук-М», накопителя спутников, снаб женного автоматической системой загрузки, позициони рования и разгрузки спутников с заготовками и деталя ми, и транспортного робота типа «Конвой» с бортовой системой загрузки и разгрузки спутников. РТК работает в автоматическом режиме в следующем порядке. Транс портный робот подводит к позиции загрузки накопителя спутник с заготовками и позиционирует его в рабочей зоне манипуляционного робота. Последний подает заго товки в станках, а после обработки возвращает их на спутник. Затем спутник перемещается в позицию раз грузки и подается на борт транспортного робота, кото рый везет его дальше в соответствии о технологическим маршрутом.
Значительные достижения в области разработки и внедрения адаптивных РТК механообработки для ГАП достигнуты в США. В качестве примера можно указать на РТК фирмы «Цинцинати», состоящий из двух одно типных обрабатывающих центров, обслуживаемых двумя адаптивными транспортными роботами. Вначале роботы загружаются спутниками с заготовками на станциях за грузки, а затем автоматически следуют к обрабатываю щим центрам каждый по своему маршруту. Здесь они разгружаются с помощью автоматической системы смены спутников, снабженной устройством идентификации кода спутника, и загружаются спутниками с обработанными деталями. Идентификация кода спутника с заготовками позволяет автоматически вызвать из памяти центрального компьютера требуемые управляющие программы и запи сать их в память системы адаптивного управления РТК. В дальнейшем эти программы корректируются (например, по мере износа инструмента) путем обработки информа ции от сенсорных датчиков крутящего момента и встроен ной системы активного контроля.
Транспортный робот имеет бортовую микропроцессор ную систему адаптивного управления, которая вычисля ет маршрут транспортировки спутников в зависимости от пункта назначения и разбивает его на зоны, представляю щие собой участки трассы между соседними остановками. Координация движений транспортных роботов осуществ ляется от центрального компьютера, который передает управляющие команды в момент остановки робота. Для предотвращения столкновений он «разрешает» пребыва
94
ние в каждой зоне только одного робота. При отказе центрального компьютера роботы могут управляться от бортовой системы адаптивного управления.
Одной из важнейших технологических операций, тре бующей адаптации, является нанесение покрытий как на отдельные детали, так и на изделия в целом. С появлени ем окрасочных роботов стало возможным создавать адап тивные РТК для окраски и нанесения порошковых, хи мических и гальванических покрытий без участия чело века.
Один из первых отечественных адаптивных РТК для окраски деталей состоит из подвесного конвейера, транс портирующего детали, двух окрасочных роботов и стойки с фотоприемниками, играющими роль системы техниче ского зрения. Он работает следующим образом. Детали, перемещаемые подвесным конвейером, последовательно проходят мимо стойки с фотоприемниками и роботов. При появлении детали в поле зрения фотоприемников часть из них затемняется. Сигналы с выходов фотоприемников через интерфейсный блок вео д я тся в распознающее устройство. Поскольку режим работы краскораспылителя зависит от типа детали, предусмотрена автоматическая идентификация деталей при прохождении их мимо стойки фотоприемников. Это осуществляется посредством срав нения текущего кода детали с эталонными кодами, хра нящимися в памяти распознающего устройства. После идентификации детали формируются сигналы управления окрасочными роботами, установленными по обе стороны конвейера, и каждый из них окрашивает по заданной про грамме одну из сторон детали.
Отличительной особенностью описанного РТК являет ся его адаптация к окрашиваемой детали, что позволяет быстро переключать программы работы краскораспыли теля в зависимости от типа очередной детали. Тем самым обеспечивается большая гибкость и эффективность РТК в условиях мелкосерийного многономенклатурного произ водства. Поэтому адаптивные РТК для окраски изделий все шире применяются в ГАП.
Важную роль при автоматизации процессов сборки и сварки играют РТК на базе адаптивных манипуляцион ных роботов. Особенности таких роботов и РТК с адап тивным управлением рассматривались выше.
Таким образом, на ряде примеров показано, что адап тивные РТК уже сегодня успешно автоматизируют ши рокий круг технологических операций в недетермиштро-
95
ванных и изменяющихся производственных условиях. Этим определяется то важное значение, которое придает ся в последнее время разработке и внедрению адаптив ных робототехнических комплексов в гибком автоматизи рованном производстве.
Н а пути к а д а п т и в н о м у п р о и з в о д с т в у
Адаптивные роботы, РТК и создаваемые на их основе ГАП второго поколения являются высшей формой комп лексной автоматизации многономенклатурного серийного производства на современном этапе. Основная цель раз работки таких РТК и ГАП заключается в создании пол ностью автоматизированных цехов и заводов, быстро перестраиваемых на выпуск новой продукции и адапти рующихся к изменяющимся условиям производства и требованиям рынка.
Рассмотрим некоторые направления и перспективы развития адаптивных производственных систем. Передо вой опыт создания и эксплуатации ГАП свидетельствует о необходимости адаптации там и тогда, где и когда воз никают факторы неопределенности, порождающие суще ственную недетерминированность производственных усло вий. На практике такие условия встречаются весьма час то. Отсюда ясна перспективность адаптивного подхода к управлению производственными системами.
Тенденция ускоренного развития адаптивных роботов, РТК и на их основе адаптивных ГАП сложилась в ряде промышленно развитых стран. Так, в Японии за послед ние годы созданы весьма совершенные ГАП второго по коления на основе адаптивных РТК и промышленных систем искусственного интеллекта, причем доля затрат на их развитие постоянно увеличивается.
Значительные достижения в области создания адап тивных роботов и РТК имеются также в США и странах Западной Европы. По примеру Японии в этих странах разработаны и реализуются крупные проекты ГАП второ го поколения. Эти проекты направлены в первую очередь на производство средств производства и систем вооруже ния. Поэтому им придается стратегическое значение и они финансируются и контролируются государственными учреждениями. Примером может служить проект «Евро пейская стратегическая программа исследований в обла сти информационной технологии», начатый в 1984 г. странами Европейского экономического сообщества. Об-
96
щий объем финансирования по этому проекту составляет 1.5 млрд долл. В результате его осуществления должен быть создан опытный завод, на котором будет автоматизи ровано не только производство, но и проектирование.
Основные направления и перспективы развития адап тивных РТК и ГАП в странах Совета Экономической Взаимопомощи определены в «Комплексной программе научно-технического прогресса стран —членов СЭВ до 2000 года». Согласно этой программе, для достижения авангардных рубежей научно-технического прогресса нужно в первую очередь решить следующие задачи:
— создать перспективные образцы адаптивных робо тов, обладающих искусственным зрением, воспринимаю щих речевые команды, программируемых и быстро при способляемых к изменяющимся условиям работы;
—разработать более совершенные системы адаптив ного управления оборудованием ГАП, снабженные сред ствами активного контроля, анализа стойкости инстру мента и диагностики неисправностей;
—создать унифицированные средства автоматизации транспортно-складских систем;
—разработать автоматизированные системы проекти
рования и технологической |
подготовки |
производства. |
В результате решения |
этих задач |
будут созданы |
РТК и ГАП с программным и адаптивным управлением, которые позволят сократить сроки и затраты при освое нии новых видов изделий в 1,5—2 раза, повысить произ водительность труда в 2—5 раз, увеличить коэффициент смежности оборудования до 2,8 и резко сократить числен ность обслуживающего персонала. Интеграция ГАП с системами автоматизированного проектирования и техно логической подготовки производства под общим компью терным управлением позволит уменьшить примерно в 1.5 раза затраты на проектирование и производство изделий, обеспечит широкую взаимозаменяемость агрега тов и модулей, изготовляемых в странах —членах СЭВ, снизит трудоемкость их изготовления в 2 раза, повысит качество планирования, учета, контроля и организации производства.
Осуществление этой программы комплексной автома тизации окажет глубокое влияние на развитие экономики стран СЭВ. Оно позволит соединить на деле преимущест ва социалистического строя с новейшими достижениями научно-технического прогресса. В результате удастся кардинально увеличить производительность труда в раз-
4 Заказ № 3794 |
97 |
личных отраслях промышленности (и в первую очередь в машиностроении), повысить качество и конкурентоспо собность выпускаемых изделий, увеличить фондоотдачу, значительно сократить ручной и малоквалифицированный труд, поднять общий технологический уровень и эффек тивность автоматизированного производства.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1.Тимофеев А. В. Роботы и искусственный интеллект. М.: На ука, 1978. 192 с.
2.Тимофеев А. В. Управление роботами. Л.: Изд-во ЛГУ, 1980, 240 с.
3.Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы/ Под ред. Е. П. Попова, В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.
4.Тимофеев А. В. Робототехника и гибкие производственные си стемы. Л.: Знание, 1986. 33 с.
5.Фомин В. Н., Фрадков А. Л., Якубович В. А. Адаптивное управ ление динамическими объектами. М.: Наука, 1981. 448 с.
6.Эйрис Р., Миллер С. Перспективы развития робототехники. М.з Мир, 1986. 328 с.
7.Микропроцессорные системы управления в робототехнике / Под ред. И. М. Макарова, Д. Е. Охоцимского, Е. П. Попова. М.: На ука, 1984. 197 с.
8.Рафаэль Б. Думающий компьютер. М.: Мир, 1979. 408 с.
9.Тимофеев А. В. Адаптивные транспортные средства для гиб ких автоматических производств Л.: ЛДНТП, 1986. 32 с,
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ БАЗА РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
М. В. РУЦКОВ
Создание функционально развитых робототехнических систем в значительной степени зависит от состояния со временной вычислительной техники. С одной стороны, стоимость и габариты вычислительной аппаратуры по крайней мере не должны превышать аналогичных показа телей механических подсистем робота. Это означает, что использование больших ЭВМ (например, класса ЕС) и тем более суперкомпьютеров представляется нецелесооб разным. Поэтому выбор падает главным образом на мало габаритные и дешевые микропроцессорные системы. Од нако, с другой стороны, необходимость работы роботов в жестком ритме производственных операций накладывает существенные ограничения на время обработки сенсорной информации и выдачи сигналов управления. Практиче ски требуемое время принятия решения составляет око ло секунды и менее, за которое необходимо выполнить десятки миллионов вычислительных операций [1]. Такая скорость значительно превышает возможности современ ных микропроцессоров.
Как же разрешить столь явное противоречие? Подо ждать 10—15 лет, пока микроэлектронная технология не обеспечит требуемый уровень производительности микро процессоров, пли искать качественно новые способы реше ния проблемы? Очевидно, ждать нельзя: поставленные за дачи надо решать именно сейчас. Кроме того, со временем возрастут и сами требования, что, вероятно, приведет к дальнейшему увеличению разрыва в производительности.
Следовательно, необходимо искать другие пути, одним из которых является переход к использованию специали зированных аппаратных средств. Что они из себя пред ставляют и как соотносятся с универсальными микро процессорами, рассмотрим на примере исследования задач видеоанализа, актуальность которых при создании совре
4 I* |
99 |
менных робототехнических систем постоянно возрастает. При этом важно отметить, что в видеоанализе проблема высокоскоростной обработки стоит особенно остро.
У н и в е р с а л ь н ы е м и к р о п р о ц е с с о р ы
Практически все современные универсальные микропро цессорные системы отражают классическое построение цифровой вычислительной машины, которое сложилось еще в конце 40-х годов и во многом было основано на идеях американского математика Дж. фон Неймана.
Типичная микропроцессорная система состоит из сле дующих основных блоков (рис. 1):
ОШг |
Рис. 1. Структура ми |
|
кропроцессорной си |
|
стемы |
д МП |
Ж УВВ |
Ж |
ЗУ |
||
АЛУ |
|
|
УУ |
|
|
1Г
Квнешним устройствам
—микропроцессора (МП), содержащего устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
—устройства ввода-вывода (УВВ);
—запоминающего устройства (ЗУ).
Память системы содержит набор ячеек для хранения команд (инструкций), выполняемых микропроцессором, или данных (чисел), с которыми он оперирует. Все ячей ки памяти имеют порядковый номер, называемый адре сом. Команды содержат указания об адресах исходных данных, о типах операций, об адресах, по которым необ ходимо записать результат, а также сведения о порядке выполнения команд. Совокупность команд составляет программу работы микросистемы.
Вся обработка данных и управление исполнением про граммы осуществляются микропроцессором последова тельно —по одной команде в автоматическом режиме.
Устройство ввода-вывода служит для связи с внепь
100