Введение в мехатронику

станок) и т. д. Подвижность робота определяется наличием или отсутствием у него устройства передвижения.

3.3 Робототехнические комплексы

Термин «робототехнические системы» (РТС) означает технические системы любого назначения, в которых основные функции выполняют роботы. Это гибкие производственные системы, в которых автоматически действующие машины, устройства, приспособления реализуют всю технологию производства, за исключением функции управления и контроля, осуществляемых человеком.

Несмотря на непрерывное расширение сферы применения мехатронных систем (МС) основной областью их применения попрежнему пока остается промышленность и, прежде всего, машиностроение и приборостроение. Здесь появились первые средства автоматизации и сосредоточено до 80% всего мирового парка робототехнических средств. В машиностроении промышленные роботы 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 технологическими комплексами (РТК).

Вмашиностроении до 80% продукции относится к серийному и мелкосерийному производству. Для быстрого перехода с одной модели изделия на другую, в соответствии с требованием рынка, создаются гибкие автоматизированные производственные система (ГПС). ГПС – это система станков и механизмов, предназначенных для обработки различных конструктивно и технологически сходных деталей небольшими партиями или поштучно без непосредственного участия человека. Составными частями ГПС являются подсистемы: технологическая, транспортно-накопительная, инструментального обслуживания и автоматизированного управления с помощью ЭВМ.

Взависимости от количества станков в ГПС различают: гибкий производственный модуль (ГПМ); гибкую производственную линию (ГПЛ); гибкий производственный участок (ГПУ); гибкое производство цеха (ГПЦ) и завода (ГПЗ).

30

Гибкий производственный модуль – это технологическая единица оборудования (один-два станка с ЧПУ), оснащенных механизмами автоматической смены инструмента, автоматической смены заготовок и транспортирования их со склада до зоны обработки с помощью различных транспортных средств, например самоходных роботизированных тележек. Этот комплекс связан с единым математическим обеспечением, способствующим работе оборудования в автоматическом режиме с минимальным участием человека. Главная особенность ГПМ – возможность работы без участия человека и способность встраиваться в систему более высокого ранга. Гибкая линия состоит из нескольких модулей, оборудованных транспортной и инструментальной системами и управляемых микроЭВМ. Гибкий участок – разновидность ГПЛ; он отличается составом и взаимозаменяемостью технологического оборудования и видом транспорта. Гибкие модуль, линия, участок, представляющие собою самостоятельнее производственные подразделения с взаимосвязанным технологическим оборудованием, являются основными звеньями для построения гибких производств более высокого порядка (цеха, завода).

Таким образом, в ГПС функционируют два потока ресурсов: материальный и информационный. Материальный поток обеспечивает выполнение всех основных и вспомогательных операций процесса обработки предметов: подачу заготовок и инструмента и установку их на станках; механическую обработку деталей; снятие готовых деталей и перемещение их на склад; замену инструмента и его перемещение; контроль обработки и состояния инструмента; уборку стружки и подачу смазочно-охлаждающей жидкости. Информационный поток обеспечивает: очередность, сроки и количество обрабатываемых предметов, предусмотренные планами работы ГПС; передачу программ обработки непосредственно исполнительным органам станков, программ работы роботов, установочных и перекладочных механизмов, программ обеспечения заготовками, инструментом, вспомогательными материалами, программ управления всем комплексом и учета его работы, а также групповое управление станками, транспортно-накопительными механизмами, системой инструментального обслуживания.

На рис. 3.1 показан пример простой линейной компоновки однопоточной роботизированной технологической линии холодной штамповки с непосредственной связью между составляющими линию ячейками. В ней отсутствует межоперационная транспортная

31

система, а предметы производства передаются от одной ячейки к другой непосредственно входящими в них вспомогательными ПР. Такие линии с непосредственной жесткой связью между ячейками просты, однако требуют строго определенного взаимного расположения основного технологического оборудования.

ТО – основное технологическое оборудование; ПР – промышленный робот; М – магазин поштучной выдачи заготовок

Рис. 3.1. Схема однопоточной роботизированной технологической линии холодной штамповки с линейной компоновкой:

Данная компоновка характерна для технологических процессов с малым циклом обработки предметов производства на технологическом оборудовании (единицы, десятки секунд), что свойственно, в частности, процессам холодно-листовой штамповки. Для технологических процессов с большей длительностью обработки на технологическом оборудовании часто применяют другой тип построения комплексов с обслуживанием одним ПР нескольких единиц технологического оборудования.

На рис. 3.2 показан вариант такого комплекса с круговой компоновкой, в котором один ПР обслуживает 3 металлорежущих станка, расположенных вокруг него.

По мере совершенствования МС происходит устойчивый рост доли ПР, применяемых на основных технологических операциях. Хотя внедрение ПР на основных промышленных операциях требует значительно больших (в 3-4 раза) затрат, чем на вспомогательных операциях, именно здесь достигается наибольшая эффективность применения ПР при высвобождении рабочих мест. Велик и социальный эффект в связи с вредностью для человека ряда таких операций

32

(например окраска, сварка) или их монотонностью (например, сборка на конвейере). В машиностроении основными типами технологических комплексов в которых ПР получили распространение на основных операциях, являются комплексы сборки, сварки, нанесения покрытий, шлифования, зачистки, клепки.

Рис. 3.2. Схема роботизированного технологического участка механической обработки с круговой компоновкой

Сборочные робототехнические комплексы. Этот тип робототехнических комплексов по своему значению является, пожалуй, наиболее важным. Сборочные операции в машиностроении составляют до 40% себестоимости изделий, а в приборостроении больше – до 50–60%. Вместе с этим, степень автоматизации сборочных работ сегодня весьма низка в связи с ограниченными возможностями, которые имеют здесь традиционные средства автоматизации в виде специальных сборочных автоматов. Поэтому создание гибких сборочных комплексов на ПР является одним из основных направлений

вавтоматизации сборочных операций.

Ксборочным операциям в приборостроении относятся механическая сборка, электрический монтаж, микроэлектронная сборка. Процесс сборки состоит из следующих последовательных взаимосвязанных операций:

– загрузка собираемых деталей в загрузочные и транспортные устройства (обычно с их ориентацией);

– перемещение деталей к месту сборки;

– базирование, т. е. фиксация в строго определенной позиции, с ориентацией деталей на сборочной позиции;

33

–собственно операция сборки, т. е. сопряжения деталей, включая закрепление;

–контрольно-измерительные операции в ходе сборки;

–удаление собранного узла со сборочной позиции для перемещения на следующую позицию, если сборка не закончена.

Для выполнения механической обработки, не связанной со сверхвысокими силовыми режимами резания часто применяют промышленных роботов, непосредственно выполняющих процесс обработки – как бы ручная работа в исполнении роботов (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Фрезерование облицовочных панелей в робототехническом комплексе двумя роботами

Особенно роботы эффективны при работе с крупногабаритными заготовками, сложными контурами и прочими задачами, где антропоморфная кинематика развивает свои максимальные преимущества.

Например, обработка пластмассовых деталей автомобильной промышленности требует тщательной детализации при проектировании комплексов, точного изготовления и монтажа, а также определенной гибкости при вводе в эксплуатацию.

Применение 3D системы оffline-программирования, планирования и моделирования, а также привлечение ведущих специалистов и производителей вспомогательного робототехнического оборудования дает возможность производить робототехнические комплексы, ориентированные на нужды и пожелания заказчиков.

34

Робототехнические комплексы фрезерования известны своим эталонным качеством на рынке гибких решений процессов резки в робототехнике.

В качестве режущего инструмента, как правило, применяют осевой инструмент, высокооборотистые фрезы, лазерные, плазменные технологии.

Широко применяются робототехнические комплексы на операциях сварки, особенно електроконтактной сварки в автомобилестроении. На рис. 3.4 показан цех сварки кузова Hyundai Solaris на автосборочном заводе в Санкт-Петербурге.

Рис. 3.4. Сварочный цех по сборке автомобильных кузовов

В системе гражданской защиты гибкие производственные системы применяются для выполнения работ при ликвидации чрезвычайных ситуаций в условиях, опасных для жизни людей. Состав комплексов: шасси, манипулятор, передвижной пульт управления, система теленаблюдения, система подсветки, система химической разведки (МРК-27Х), система радиационной разведки (МРК-45, МРК-46), комплект сменного технологического оборудования. Назначение робототехнических комплексов, применяемых в системе гражданской защиты:

– разведка территории и объектов с наличием взрывоопасных предметов (ВОП), идентификация и осмотр ВОП, определения их состояния, выполнение вспомогательных операций при обезврежи-

35

вании ВОП и других опасных предметов (радиационные, химические

итоксичные вещества);

–проведение пиротехнических работ, включая поиск, обезвреживание и транспортировку взрывоопасных предметов и боеприпасов, ведение разведки внутри помещений и на местности;

–проведение аварийно-спасательных и специальных работ в условиях химического загрязнения, визуальный осмотр объекта, инструментальная приборная разведка и определение уровней загрязнения воздуха, отбор проб, в т. ч. грунта и воды, выполнение технологических операций по локализации источника загрязнения;

–ведение радиационной разведки, дозиметрического контроля местности;

–обозначение зараженной зоны;

–обнаружение и ликвидация источников повышенной радиации;

–сбор, размельчение, контейнирование и транспортирование опасных предметов;

–отбор проб грунта и жидкости.

На рис. 3.5 показана операция сварки роботом сборочного узла легкового автомобиля на АвтоВАЗе.

Рис. 3.5. Выполнение роботом операции сварки

МРК-2 применяется при дозиметрическом контроле на объектах хранения отработанного ядерного топлива. Его назначением является

36

проведение инспекционных проверок и аварийно-спасательных работ. Он способен выполнять визуальную разведку; газовую, химическую, радиационную разведку местности, а также проводить аварийно-спасательные работы.

На рис. 3.6 показан робот-пожарник, проводящий спасательную операцию во время антитеррористических учений (работал как с макетами, так и настоящими людьми, изображающими жертв теракта).

Рис. 3.6. Робот производит спасательную операцию (г. Токио)

3.4Мехатроника в медицине

Внастоящее время бурно развиваются высокие медицинские технологии. Во многих развитых странах активно ведутся разработки различных мехатронных устройств медицинского назначения. Основные направления развития медицинской мехатроники – разработка систем для реабилитации инвалидов, выполнения сервисных операций, а также для клинического применения. Основные направления развития медицинской мехатроники представлены на рис. 3.7.

Все большую роль играют микророботы, способные самостоятельно функционировать внутри человеческого организма. Отметим, что медицинские робототехнические системы являются медицинскими по своей сути, объединяя в единое целое механические и

37

электронные компоненты, функционирующие в составе интеллектуальной робототехнической системы.

Рис. 3.7. Основные направления развития медицинской мехатроники

Ниже рассмотрены основные достижения в области медицинской мехатроники и намечены перспективы ее дальнейшего развития.

Роботы для реабилитации инвалидов.

Медицинские роботы реабилитации предназначены главным образом для решения двух задач: восстановления функций утраченных конечностей и жизнеобеспечения инвалидов, прикованных к постели (с нарушениями зрения, опорно-двигательного аппарата и другими тяжкими заболеваниями).

История протезирования насчитывает не одно столетие, но к мехатронике непосредственное отношение имеют лишь так называемые протезы с усилением. Современные автоматизированные протезы не нашли широкого применения из-за конструктивных и эксплуатационных несовершенств и малой надежности в работе. Но уже сейчас делается многое, чтобы улучшить их характеристики за счет внедрения в их конструкцию новых материалов и элементов, таких, как пленочные тензодатчики для управления силой сжатия пальцев руки-протеза, электронно-оптические датчики, монтируемые

38

в оправе очков для управления протезом руки с помощью глаз пациента и т.п.

ВЯпонии разработана механическая рука, исполнительный орган которой имеет шесть степеней свободы и систему управления протезом. В Оксфорде (Великобритания) создана система управления для манипуляторов, предназначенных для протезирования, особенностью которых является способность выполнения заданий заранее не запрограммированных. Они обеспечивают обработку сенсорной информации, включая систему распознавания речи. Одной из проблем является формирование управляющих сигналов пациентом без помощи конечностей. Известны устройства для помощи пациентам с двумя или четырьмя ампутированными или парализованными конечностями, приводимые в движение с помощью электрического сигнала, возникающими в результате сокращения мышц головы или туловища. Разработана конструкция механической руки с телесистемой, управление которой осуществляется датчиками на голове больного, реагирующими на движение головы или бровей и подающими сигналы микропроцессору, управляющему исполнительным органом манипулятора.

Для решения задач жизнеобеспечения неподвижных больных созданы различные варианты роботизированных систем. Качественно новым конструктивным решением является антропоморфная рукаманипулятор, смонтированная на инвалидной коляске и управляемая ЭВМ.

Важной проблемой, связанной с реабилитацией инвалидов, является создание для них рабочих мест. В Великобритании разработано автоматизированное рабочее место для инвалидов с нарушениями опорно-двигательной системы. Робот представляет собой манипуляционную систему, которая управляет речевыми командами оператора; он способен по желанию пациента выбирать музыкальные диски, книги, переворачивать листы читаемой книги, переключать периферийные устройства компьютера, набирать номера телефонов.

Такие мероприятия обеспечивают пациентам возможность общения друг с другом и способствуют их осознанию себя как полноправного члена общества.

ВСША было разработано автоматизированное рабочее место с антропоморфной рукой – манипулятором для инвалидов, страдающих тяжелой формой нарушения опорно-двигательной системы. Пациент с минимальным уровнем подготовки может управлять робо-

39