CC BY
301
Е.В. Евтеева
ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАТРОННЫХ СРЕДСТВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ E.V. Evteeva
APPLICATION OF MECHATRONIC EQUIPMENT IN INDUSTRY
Ключевые слова: применение мехатронных систем, промышленность, мехатроника, роботизированные технологические комплексы, этапы проектирования, анализ технологического процесса.
Key words: application of mechatronic systems, industry, mechatronics, robotized technological complexes, stages of the design, analysis of the technological process.
Аннотация: в работе рассматриваются классификация технологических комплексов с применением роботов, этапы проектирования технологических комплексов, особенности роботизации технологических комплексов в действующих производствах.
Abstract: the paper presents a classification of technological complexes with the use of robots, the stages of design of technological complexes, peculiarities of the robotization of technological complexes at a factory.
Задача мехатроники наряду с созданием собственно средств робототехники заключается в создании технических систем и комплексов, основанных на использовании этих средств. Основной областью применения по-прежнему пока остается промышленность и, прежде всего, машиностроение и приборостроение. Здесь появились первые роботы и сосредоточено до 80 % всего мирового парка роботов. Напомним, что роботы, применяемые в промышленности, получили наименование промышленных роботов (ПР). Они подразделяются на технологические, которые выполняют основные технологические операции, и вспомогательные, занятые на вспомогательных операциях по обслуживанию основного технологического оборудования. Технологические комплексы с такими роботами называются роботизированными - роботизированными технологическими комплексами (РТК). Термин «робототехнические системы» (РТС) означает технические системы любого назначения, в которых основные функции выполняют роботы.
Начнем рассмотрение вопроса применения средств робототехники в промышленности с классификации технологических комплексов. В основу положим следующие признаки:
• тип производственного подразделения;
• степень изменения производства, связанная с применением ПР;
• вид технологического процесса;
• количество выполняемых технологических операции;
• тип и количество используемого основного технологического оборудования;
• тип и количество используемых ПР;
• серийность и номенклатура продукции;
• компоновка комплекса;
• принцип управления комплексом;
• степень участий (функции) человека в комплексе.
В табл. 1 представлена основанная на этих признаках классификация технологических комплексов применительно к машиностроению. Воспользуемся ею для рассмотрения применения в этих комплексах роботов
Таблица 1. Классификационные признаки и соответствующие им основные типы технологических комплексов с роботами
№ п/п Признак Наименование
Тип подразделения Технологическая ячейка Участок Линия Цех
2. Степень изменения производства, связанная с применением ПР Для вновь создаваемого производства: с принципиально новой технологией; с новым технологическим оборудованием. Для модернизируемого производства: с изменением технологии; с модернизацией оборудования.
3. Вид технологического процесса Комплекс: механообработки; холодной штамповки; ковки; литья; прессования пластмасс; термической обработки; сварки; транспортный; контроля и испытаний и т.д.
4. Тип и количество технологического оборудования С выполнением основных технологических операций: технологическим оборудованием; ПР; их комбинацией
5. Серийность и номенклатура продукции С определенным размером выпускаемых партий продукции без переналадки комплекса С определенным перечнем видов (типов) выпускаемой продукции
6. Компоновка комплекса Линейная Круговая Линейно-круговая По площади Объемная
7. Тип управления Централизованное Децентрализованное Комбинированное
8. Участие человека В выполнении технологических операций: основных; вспомогательных
Тип производственного подразделения. Здесь классификационным признаком служит количество выполняемых технологических операций. Простейшим типом, который лежит в основе более крупных комплексов, является технологическая ячейка (ТЯ). В ней выполняется всего одна основная технологическая операция (помимо вспомогательных). При этом количество единиц технологического оборудования и ПР в составе ТЯ не регламентируется. В частности, в ТЯ может совсем отсутствовать технологическое оборудование помимо ПР, когда основную операцию выполняет ПР, или, наоборот, могут отсутствовать
самостоятельные ПР, когда последние объединены с основным технологическим оборудованием.
Следующим, более крупным типом является технологический участок (ТУ). На нем выполняется несколько технологических операций, которые объединены технологически оборудованием или организационно управлением. Эти операции могут быть одинаковыми или различными. Если различные операции технологически последовательно связаны, то такой участок представляет собой технологическую линию (ТЛ).
Технологический участок представляет собой совокупность ТЯ, но может и не иметь их. Например, участок может включать несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых одним ПР (неподвижным с размещение оборудования вокруг ПР или мобильным, перемещающимся вдоль ряда единиц оборудования).
Следующим видом комплекса является цех, состоящий из нескольких участков. Пределом развития роботизированного производства является комплексно роботизированное предприятие.
В состав участков и цехов помимо технологических ячеек обычно входят еще и склады, транспорт (в том числе и на базе ПР) и системы контроля качества продукции.
Классификация технологических комплексов по степени изменения производства, связанного с применением ПР Такое изменение, очевидно, будет максимальным для создаваемых новых производств, основанных на новых технологиях, и минимальным для действующего производства, автоматизированного на базе серийных ПР.
Классификация по виду технологического процесса Она не исчерпывается приведенным перечнем типовых для современного состояния областей применения ПР в машиностроении.
Классификация по типу и количеству используемого основного технологического оборудования. Здесь определены два уже названных ранее основных варианта: ПР, выполняющие основные технологические операции (сборку, сварку, окраску и т.д.) или вспомогательные роботы, обслуживающие основное технологическое оборудование.
Серийность и номенклатура продукции. Серийность определяется в данном случае объемом партий продукции, которые можно изготавливать без переналадки комплекса, а номенклатура - широтой перечня выпускаемых видов (типов) продукции. Оба эти показателя имеют существенное влияние на эффективность примечания ПР. В частности, каждый технологический комплекс характеризуется предельными значениями этих параметров, вне рамок которых данный комплекс оказывается экономически невыгодным вплоть до целесообразности перехода от гибких комплексов к специальным автоматам (при большой серийной и узкой номенклатуре) или даже к использованию рабочих вместо ИР
(противоположном предельном случае единичного производства).
Классификация по типу размещения технологического оборудования. Приведены основные (базовые) типы компоновок. При простой линейной компоновке оборудования располагается в один ряд (по линии), а при наиболее сложной объемной компоновке - на нескольких этажах (уровнях).
Классификация по типу управления. Она включает рассмотренные ранее
централизованный, децентрализованный и комбинированный способы управления.
Централизованное управление осуществляется устройством группового управления, а
децентрализованное реализуется с помощью местных устройств управления, связанных друг с другом для взаимной координации.
Классификация по степени участия человека. Здесь указанны два вида участия человека в работе: когда человек непосредственно выполняет некоторые технологические операции (основные или вспомогательные) и когда он участвует в управлении комплексом.
Этапы проектирования технологических комплексов
В процессе создания технологических комплексов можно выделить 3 основных этапа:
технологический, алгоритмический и технический. На первом этапе осуществляется анализ технологического процесса, в результате чего определяется структура комплекса. На рис. 1 показана типовая структура этого этапа.
Рисунок 1 - Состав технологического этапа проектирования технологического комплекса
Анализ технологического процесса (ТП) является одним из наиболее ответственных этапов, от качества выполнения которого в значительной степени зависит эффективность разрабатываемого комплекса. В связи с тем, что этот этап включает сравнение большого числа возможных вариантов размещения оборудования, транспортных путей и т.п., важным средством его выполнения является компьютеризация.
Рисунок 2 - Состав алгоритмического этапа проектирования технологического комплекса
Результатом следующего алгоритмического этапа разработки является определение алгоритмов функционирования всего комплекса и его частей, требований к устройствам управления, каналам связи и вспомогательному оборудованию. Функционально алгоритмический этап можно представить как показано на рис 2. На этом этапе происходит также увязка с автоматизированной системой управления предприятием.
На этапе алгоритмического проектирования комплекса необходимо, в частности, учитывать следующие требования:
• наиболее полное и рациональное использование производственных фондов;
• возможность корректировки банка данных в ходе выполнения производственной программы;
• поэтапность ввода технологического комплекса и его частей.
При алгоритмической разработке технологических комплексов важным вопросом является обеспечение требований к их надежности. Выход из строя какого - либо из его устройств не должен повлечь за собой остановку всего производственного процесса. Частично, для устранения отдельных кратковременных отказов оборудования, служат межоперационные заделы, но для полного решения проблемы надежности на стадии алгоритмического
проектирования необходимо разрабатывать алгоритмы автоматической диагностики и оперативного устранения неисправностей.
Существенным элементом этого этапа является создание банка данных, содержащего все сведения о типах и характеристиках всего оборудования, устройств управления, каналов связи и т.д. Причем он должен непрерывно корректироваться и расширяться с включением существующих решений по отдельным элементам комплекса и по отдельным технологическим операциям. Банк данных должен включаться в буфер оперативного управления, через который осуществляется обмен данными с АСУ предприятия, и в который заносятся параметры хода производственного процесса.
На рис. 3 приведена типовая функциональная схема организации управления технологическим комплексом.
Заключительным этапом процесса проектирования технологического комплекса является его техническая реализация. Этот этап включает, в частности, разработку или выбор ПР, их устройств управления, технологической оснастки, транспортных путей и способов транспортировки, каналов связи, устройств информационного обеспечения на основе требований, определенных на предыдущих этапах проектирования.
Г АСУ предприятия
Рисунок 3 - Схема управления технологическим комплексом
Особенности роботизации технологических комплексов в действующих
производствах
Задача комплексной автоматизации и роботизации действующих производств имеет существенные особенности, затрудняющие ее решение, по сравнению с созданием новых технологических комплексов. В последнем случае создаваемый комплекс с самого начала проектируется с учетом применения ПР и других средств робототехники, возможности применения ПР и манипуляторов, поставляемых в комплекте с основным оборудованием, сопряжения систем управления всех составных частей и т.д.
При решении этой задачи для действующего производства необходимо учитывать ограничения, обусловленные тем, что в этом случае речь идет о модернизации в большей или меньшей степени не приспособленного для применения средств робототехники технологического оборудования. При этом часто не допускается так же длительная остановка производства.
Основными трудностями при решении этой задачи являются:
• необходимость размещения ПР и других средств робототехники на неограниченных площадях действующего технологического комплекса, включая обеспечение транспортных операций;
• необходимость достаточно полного и рационального использования возможностей применения ПР и их устройств управления, что в значительной степени определяет стоимость и эффективность работы всего комплекса, а также удобство его эксплуатации;
• обеспечение требуемой производительности, т.е., как правило, ее существенного повышения, в том числе за счет соответствующего быстродействия ПР.
Существует и ряд других трудностей, связанных с управлением всех комплексов, особенностями конструкции основного оборудования и производимой продукции, однако они имеют меньшее значение.
При решении рассматриваемой задачи первостепенное значение имеет грузоподъемность ПР и других средств робототехники, поскольку она в основном определяет их размеры, а следовательно, и возможности размещения на рабочем месте вместо высвобождаемых рабочих. В связи с этим при решении вопроса о применении ПР в действующем производстве необходимо различать следующие три приведенные в таблице 2 основные случаи в зависимости от массы объектов, которым подлежит манипулировать. Как следует из таблицы 2, наиболее трудным случаем применения ПР и манипуляторов на действующем производстве является работа с изделиями, масса которых измеряется единицами килограммов (примерно до 25кг), когда для размещения ПР и манипуляторов необходимо больше места, чем для заменяемых ими рабочих.
Основным решением, которое в этом случае приемлемо практически почти всегда, является применение подвесных ПР, в частности, с размещением их над основным оборудованием, которое обслуживает такой ПР. Такое решение получило достаточно широкое распространение, например, в механообработке. При этом часто используются мобильные ПР, передвигающиеся над основным оборудованием по рельсовому пути, что дает возможность обслуживать одним ПР несколько станков.
Таблица 2. Особенности применения промышленных роботов и манипуляторов (М) в действующем производстве в зависимости от массы объектов манипулирования______________
Масса объектов манипулирования Область применения Занимаемый объем и условия размещения Типовые решения
Доли килограмм Приборостроение, легкая промышленность ПР и М занимают места меньше, чем рабочий, поэтому разместить их на рабочем месте, как правило, несложно При использовании ПР для обслуживания основного оборудования ПР размещаются непосредственно на
оборудовании
Единица килограмм Машиностроение ПР и М занимают больше места, чем рабочий, поэтому существует проблема их размещения в пределах существующего рабочего места Подвесные ПР, в том числе подвижные (на рельсах)
Десятки килограммов и более Тяжелое машиностроение, транспорт ПР и М занимают не больше, чем рабочий вместе с используемыми им специальными средствами механизации для работы с большими грузами ПР, сбалансированные манипуляторы
Наряду с ПР для рассматриваемых целей широкое применение находят сбалансированные манипуляторы с ручным управлением. Размещаясь на вертикальной колонне, они занимают значительно меньше места, чем ПР той же грузоподъемности, благодаря чему их часто можно устанавливать в действующих цехах без перемещения основного оборудования. Кроме того, такие манипуляторы дешевы и просты в управлении. Их применение позволяет существенно облегчить условия труда, повысить производительность, за счет этого сократить количество рабочих.
