книги / Робот. Компьютер. Гибкое производство

рованных 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

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-

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

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):

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