Роботы и автоматизация производства

Естественным продуктом гибкой автоматизации и гибкого производства является групповая технология. Она дает экономический эффект как на этапе конструирования, так и в стадии производства.
В ПКУ акцент делается на связь между программным обеспечением собственно производства и общей базой данных. Хотя ПКУ на данный момент является в большей степени идеей, чем реальностью, оно предстазл'яет собой тот идеал, к которому должны стремиться инженеры, занимающиеся разработкой и внедрением роботов и подсистем автоматизации производства
При изучении саморазмножающихся систем подчеркнута особенность роботизации, основанная на самой замечательной способности человека — способности к воспроизводству. Представление о роботах, порождающих другие роботы, выглядит неестественно, но уже сегодня некоторые роботы используются для этой цели. Даже системы с частичным воспроизводством можно считать саморазмножающимися, имея в виду использование машин и станков для изготовления дополнительного количества таких же установок.
• Еще одной областью исследований является техническое осязание. В качестве примера в этой глазе рассмотрен эксперимент по обнаружению объектов с помощью датчика с гибкими щупами, изготовленного по образу и подобию кошачьих усоз. Другими быстро развивающимися областями исследований являются техническое зрение, технический слух и искусственный интеллект. Прослеживая развитие робототехники и автоматизации производства, нельзя избежать их оценки с этической точки зрения. Принципиальный вопрос этического свойства здесь таков: приводит ли автоматизация к безработице или нет? На этот счет есть две теории — Теория X и Теория Y. Статистика говорит в пользу Теории Y, утверждающей, что автоматизация сохраняет рабочие места, которые могли бы быть утрачены в результате всеобщей
конкуренции.
Легко впасть в чрезмерный оптимизм по поводу успехов робототехники или других направлений автоматизации, если не считаться с законом Мерфи, безопасностью, простоями оборудования и другими потенциальными негативными последствиями. В результате многих проектов, выполняемых с большим оптимизмом, появляются доставляющие массу хлопот дорогие, но неэффективные, опасные в эксплуатации или ненадежные системы. Это приводит к увольнению части рабочих, однако производственный процесс не улучшается, и в проигрыше оказываются все.
Роботы и автоматизация производства вырабатывают определенное отношение к ним со стороны общественности. Насколько велико здесь проявление эмоций, можно судить по большому числу судебных решений, вынесенных по поводу несчастных случаев с участием роботов.
Огромные возможности роботов и автоматизации производства таят в себе соблазн в погоне за сенсациями игнорировать этические проблемы. Роботы сейчас находятся в центре внимания, но то, как их примет общественность, в значительной степени зависит от этических взглядов инженеров, занимающихся их разработкой и внедрением.

«Если какая-нибудь неприятность может случиться, она случается». 'Почти каждый знаком с этим законом Мерфи, но вот происхождение его неизвестно. Все же есть достаточно оснований полагать, что Мерфи был инженером по автоматике. Проекты автоматизации как нельзя лучше подпадают под действие закона Мерфи по нескольким причинам. Прежде всего это постоянное и сильное стремление, а возможно и требование, найти какой-то способ повышения производительности и снижения стоимости. Успех в этом деле сулит огромные прибыли, а за ошибки приходится жестоко расплачиваться. Следовательно, будут перепробованы многие идеи, и неизбежно некоторые из них окажутся забракованными. Во-вторых, занятие автоматизацией почти всегда сродни погружению в неизвестность. Когда испытываются новые процессы и оборудование, всегда возникают какие-то неожиданности. С подобными примерами мы встречались в гл. 8, когда рассматривали процесс создания робота.
Вероятность появления неожиданных ситуаций связана с проблемами этического характера. При разработке и обосновании нового проекта роботизации обязательно надо допускать возможность возникновения таких ситуаций, чтобы избежать поспешного утверждения проекта, который впоследствии не даст ожидаемых результатов. Кроме того, надо считаться с возможными отказами оборудования. Безопасность всегда является предметом особого внимания на стадии предварительных испытаний и отладки. Но она может также стать серьезной проблемой и на этапе эксплуатации новой автоматизированной системы, поскольку рабочие могут быть не подготовлены к аварийным режимам и потенциальным
отказам.

Рано или поздно каждый из нас должен начать задавать вопросы этического свойства:
Существует ли предел для производства, которое мы можем поручить роботам и автоматам?
Освободят ли промышленные роботы людей от работы?
Если роботы начнут создавать себе подобных, найдется ли в конце концов для них столько работы?
Не приведет ли автоматизация в конечном счете к возможности уничтожения ею тех, кто ее усиленно развивает?
Не получится ли когда-нибудь так, что люди будут служить машинам, а не наоборот, как было задумано?
Безработица. Основной вопрос этического свойства заключается в том, не приводит ли автоматизация к безработице. В представлении общественности автоматизация обычно выступает в роли злодея, олицетворяющего безработицу. Однако на этот счет существуют Теория X и Теория Y, столь же противоположные по смыслу, как и соответствующие оригинальные теории Дугласа — Макгрегора в приложении к управлению производством [29]. В отношении автоматизации Теория X утверждает,'что она вызывает безработицу, а Теория Y говорит о том, что она предотвращает ее.
Теория X. Совершенно очевидно, что принципиальное назначение роботов и автоматизации производства состоит в том, чтобы сделать технологические процессы более эффективными. Роботы обычно экономят трудовые затраты, а это значит, что они выполняют все то, что раньше производилось рабочими. Даже в тех случаях, когда какой-то новый процесс идет без участия людей, внедрение робота означает, что один или более рабочих не будут заняты на этом производстве. Причем замена здесь производится не з отношении один к одному. Роботы могут выполнять операции со скоростью, разной или даже большей, чем человек-оператор, они могут работать по три смены в день, по семь дней в неделю, что эквивалентно труду четырех рабочих. Даже с учетом времени на текущий ремонт и профилактику робот часто заменяет более чем одного рабочего.
Противники Теории X считают роботы работодателями, а не работоустранителями, заявляя, что рабочие необходимы для создания и обслуживания роботов. Хотя уровень мастерства и типы работ могут претерпевать изменения, сторонники роботов доказывают, что число операций остается прежним или даже увеличивается. Но этот аргумент противоречит принципиальному назначению роботов и автоматизации: повышать эффективность производства. Приверженцы Теории X говорят: если зерно, что для создания и обслуживания роботов требуется столько же или даже больше людей, сколько раньше было необходимо для выполнения той же работы, которую теперь делают роботы, то где же здесь повышение эффективности производства?
Конечно, кроме повышения эффективности производства имеется много других причин для применения роботов и автоматизации. Среди них такие, как улучшение качества, повышение безопасности, устранение монотонных, утомительных или малопривлекательных работ, но стоит ли ради этого оставлять рабочих без средств к существованию? Современный инженер должен считаться с этими аргументами, будучи подверженным либо угрызениям собственной совести, либо нападкам противников автоматизации. Столкнувшись с такой проблемой, он должен задать себе вопрос: как объяснить рабочему, которого собираются заменить роботом, что его работа «нежелательна» и от нее надо будет отказаться.
Итак, противники технического прогресса относятся к роботам и автоматизации, как к средствам уничтожения рабочих мест, и доводы, что взамен старых появляются новые рабочие места или что необходимо исключить нежелательные ручные операции, не изменяют их убежденности в том, что автоматизация порождает безработицу.
Теория Y. Но существует и другой взгляд на автоматизацию, как на средство, увеличивающее или, по крайней мере, сохраняющее занятость. Однако возможно ли в условиях общемировой конкуренции бесконечно поддерживать занятость, если ту же самую работу более эффективно делают машины? Без автоматизации конкуренция может привести к исчезновению целых отраслей промышленности и всех рабочих мест в этих отраслях.

С ГПС и групповой технологией тесно связано еще одно понятие: производство с комплексным управлением от ЭВМ. Это понятие заменяет собой более известное словосочетание «комплексная система автоматизированного проектирования и изготовления с использованием ЭВМ» (английская аббревиатура CAD/САМ — прим. пер.). Этот новый термин подчеркивает тесную взаимосвязь между проектированием, производством и даже контролем изготовления и качества и другими сторонами управления производственной сферой. Поэтому понятие ПКУ является более общим, нежели ГПС, и его можно распространить на некоторые производственные системы, которые не являются полностью автоматизированными.
В ПКУ акцент делается на связь, осуществляемую ЭВМ между различными подсистемами программного обеспечения, управляющими процессом производства и вспомогательными операциями. Это не такая простая задача, ибо подобных подсистем всегда столько же, сколько и обслуживаемых ими областей производства. Так, в области технического проектирования имеется одно программное обеспечение (САПР), в области ЧПУ — другое, в области материально-технического снабжения — третье, в области планирования технологических процессов — четвертое и т. д.
Естественно, что проектирование и изготовление явились первыми областями, которые было признано необходимым связать каналом обмена данных. И в той и в другой требуется скрупулезное кодирование для полного описания изделий. Объединение процессов проектирования и изготовления привело к значительному выигрышу, так как позволило для кодирования изделий использовать общую базу данных.
Достижения в области комплексного проектирования и изготовления стимулировали компьютеризацию таких областей, как планирование технологических процессов, контроль производства, транспортирование материалов, складирование, контроль качества. В начале 80-х гг. было предпринято немало усилий по стандартизации баз данных различных областей с целью их совместимости. Отсутствие такой совместимости в 70-е гг. даже на одном и том же предприятии часто подрывало доверие к ЭВМ со стороны администрации, хотя все вычисления осуществлялись в пакетном режиме вне контура управления производством. Преодоление подобной несовместимости является необходимым условием достижения успеха в сфере производства с комплексным управлением от ЭВМ. В свою очередь, и комплексное управление способствует развитию стандартизации в направлении устранения несовместимости баз данных.
Проблему объединения баз данных различных областей производства ни в коем случае не следует преуменьшать. В 1984 г. Садовский [62] высказал такую мысль: «Хотя нам известны многочисленные примеры систем управления производством и материально-техническим снабжением с объединенными базами данных, очень немногие из них удачно сопрягаются с системами, автоматически вырабатывающими списки запрашиваемых материалов; и еще меньше таких, которые включают в себя Системы автоматизации нисходящего планирования технологических процессов и административных функций. Эти и многие другие проблемы должны быть решены, прежде чем появятся комплексно автоматизированные производства в их истинном понимании».
Производство с комплексным управлением от ЭВМ. является целью, имеющей большие последствия; немногие предприятия достигли этой цели, а многие, возможно, никогда не достигнут ее. Но в выборе роботов, станков с ЧПУ, промышленных логических систем управления, технических средств и программного обеспечения систем нет ничего противоречащего генеральной линии на создание полностью интегрированных систем комплексной автоматизации. Создавая системы с комплексным управлением от ЭВМ, мы приближаемся к высшей степени автоматизации производства. Некоторые специалисты по робототехнике заглядывают еще дальше, и речь об этом пойдет в следующем разделе.

Групповая технология выгодна не только благодаря разумной организации производства, упорядочению данных и маркировке изделий, она снижает затраты на оборудование. В этом смысле одним из основных выигрышных моментов является уменьшение количества инструментов и приспособлений, необходимых в производственном процессе. Групповая технология привлекательна тем, что два изделия, совершенно отличные по остальным показателям, могут быть смонтированы с помощью одних и тех же приспособлений, если коды их геометрических параметров идентичны.
Хотя основные идеи групповой технологии находят применение уже не одно десятилетие, ее потенциальные возможности еще не исчерпаны, и здесь есть над чем подумать. Постоянно открываются новые направления, где можно получить экономическую выгоду, и задача исследований в области групповой технологии — получить количественную оценку этой выгоды.

Еще одним аспектом групповой технологии является классификация изделий по признакам, что делается обычно с помощью нумерации. В процессе конструирования, особенно если оно осуществляется с применением ЭВМ, каждому разряду номера изделия полезно придать определенный логический смысл. Тогда конструктор может извлечь чертеж изделия из базы данных ЭВМ, сославшись на номер этого изделия, даже если он не знает его устройства и назначения. Но, задавая логический номер изделия, конструктор должен быть уверен, что извлекаемый чертеж по крайней мере похож на то, что ему нужно. В результате этого чертеж может быть скопирован в том виде, как он есть, или же с небольшими изменениями.
Расплатой за присвоение логического смысла каждому разряду номера изделия являются очень большие номера. Грейвз [24] отмечает, что в некоторых системах групповой технологии для нумерации изделий используются 36-разрядные числа. В таких системах изделие практически полностью описывается всего одним числом, но число это столь велико, что его невозможно запомнить; оно имеет реальную цользу только в случае хранения в памяти ЭВМ.
Разрешающая способность системы нумерации изделий зависит от числа разрядов и количества возможных значений каждого разряда. Так, 36-разрядная система нумерации изделий обладает следующей разрешающей способностью:
1. Разряды только цифровые: 1036.
2. Разряды алфавитно-цифровые: 3636.
36-разрядная система имеет огромную степень разрешения и позволяет почти полностью описать конструкцию изделия одним числом. Но 36-разрядные числа очень громоздки и неудобны в практическом применении.
В групповой технологии используются две системы цифровой идентификации: иерархическая и цепного типа. В иерархических системах интерпретация последующих разрядов зависит от выбора предыдущих, старших, разрядов. В системах цепного типа смысл каждого разряда жестко определен. Рассмотрим, например, систему классификации промышленных роботов. Первый разряд может интерпретировать осевую конфигурацию, второй — источник питания, третий — нагрузочную способность, а четвертый и последующие разряды — прочие характеристики робота.

В групповой технологии акцент делается на сходство изделий, которым присваивается обобщающее понятие «семейство». Станки могут быть скомпонованы таким образом, чтобы производство этих семейств было наиболее экономичным. В итоге можно добиться существенного выигрыша в эффективности над традиционной схемой процесса, когда станки определенного типа сгруппированы в участки. Резонно задать вопрос, в чем же разница между групповой технологией и старым понятием планирование выпуска изделия —улучшенным вариантом планирования технологического процесса. Планирование выпуска изделия осуществляется в расчете на массовое производство какого-то одного образца или модели, что не характерно для современного рынка с его разнородными запросами. Групповая технология действительно тесно связана с планированием выпуска изделия; ее можно считать попыткой использовать все экономические преимущества схемы, ориентированной на единственное изделие, когда в действительности выпускаемые изделия не идентичны. В результате появляется схема производства, состоящая из нескольких поточных линий, которые могут иметь общие элементы.
Эта схема не ориентирована ни на выпуск изделия, ни на организацию технологического процесса. Схема с планированием выпуска изделия должна была бы состоять из тринадцати независимых линий, не содержащих общих позиций, за исключением сварочных роботов и сборочных операций, на которых отдельные детали объединяются в узлы'и агрегаты. Схема организации технологического процесса физически должна была бы состоять из станков, сгруппированных в участки, как, например, участок сверлильных станков или участок фрезеровальных станков. Единственными операциями, которые можно было бы назвать подобными участками на рис. 15.4, являются литейное производство, гальваническое покрытие и упаковка-погрузка.
Некоторые операции встречаются на пути нескольких семейств, другие же являются специализированными. Кроме того, из схемы следует, что только семь семейств изделий достигают операции упаковки и погрузки, тогда как из литейного производства выходят тринадцать семейств. Это объясняется тем, что на пунктах сварки и сборки происходит объединение деталей в узлы и агрегаты. Число станков здесь значительно меньше, чем в соответствующей схеме, ориентированной на выпуск изделий, благодаря комбинированию рабочих мест для изделий со схожими характеристиками. Это видно из табл. 15.2, где приведено количество пунктов обработки (включая литье, гальваническое покрытие и упаковку-погрузку), которое имела бы схема производства, ориентированная на выпуск изделий. В табл. 15.2 подсчитано число пунктов (операций) для всех семейств, начиная с самого верхнего пути на рис. 15.4. Ясно, что их число (65) значительно больше, чем 24, как это имеет место в схеме групповой технологии на рис. 15.4. Реально от групповой технологии вряд ли можно было бы ожидать такой экономии, поскольку операции литья, гальванического покрытия и упаковки-погрузки скорее всего не сгруппированы так, как в данной схеме. Тем не менее на 19 позициях можно было бы сэкономить за счет группировки семейств изделий, проходящих через другие операции.

Жесткая автоматизация 40—50-х гг. была идеальной для своего времени формой производства, ибо почти каждому нужно было одно и то же: новый «Форд» или «Шевроле», лампу дневного света, радиоприемник или телевизор. Такая обстановка диктовала устойчивую потребность в огромных объемах однотипных изделий — объемах, которые послужили стимулом для жесткой автоматизации. Сегодня, однако, рынок потребительских товаров гораздо сильнее нуждается в гибком производстве, обеспечивающем выпуск большого числа разновидностей изделий, моделей, фасонов.
В этой книге основное внимание сконцентрировано на гибкой автоматизации, противопоставляемой жесткой автоматизации. Способность микрокомпьютера обеспечить эту гибкость заставляет владельцев предприятий по-иному взглянуть не только на отдельные свои станки, но и на весь комплекс оборудования. Занимаясь техническим переоборудованием предприятий, они хотят теперь, чтобы все станки, роботы и средства транспортирования материалов были объединены в гибкую производственную систему. Ключевым словом здесь является слово «система». Гибкость такой системы обеспечивается благодаря легкости перенастройки роботов, станков с ЧПУ, промышленных ПК и микропроцессоров. Прежде чем продолжить изложение, необходимо еще и еще раз подчеркнуть, что создание ГПС возможно только при условии применения роботов и подсистем автоматики, рассмотренных в предыдущих главах книги. А предпосылками для применения роботов и подсистем автоматики являются контроль отклонений качества изделий, обеспечение их ориентации и транспортирование, повышение надежности в эксплуатации установок и механизации рабочих мест. Поэтому прежде чем бросаться в омут ГПС, инженер должен быть уверен в том, что он действительно достигнет поставленных целей с помощью заводских агрегатов. Полезно упомянуть несколько типичных примеров ГПС, которые инженеры по автоматике смогут использовать в качестве образцов для подражания, когда наступит время им самим заниматься созданием аналогичных систем.
На одном из заводов фирмы «Дженерал Моторс» была введена в строй ГПС, в которой 22 робота обслуживают четыре линии станков, связанные конвейером [22]. Изделия —массивные, почти 14-килограммовые коробки скоростей из алюминия, —типичны для применения ГПС. Эта система, занимающая площадь около 22 000 м2, изображена в плане на рис. 15.1. ГПС позволили избавиться от 91 % объема тяжелого ручного труда, применявшегося прежде в этом цехе. Для ГПС были выбраны роботы, которые снимают изделие с конвейера и устанавливают его на станок, а после обработки возвращают обратно на конвейер;благодаря дешевизне таких роботов ожидалось, что они окупят себя всего за один год.
Ради получения экономической выгоды компания «Дженерал Электрик» не пожалела 16 млн. долл., вложенных ею в реконструкцию электровозостроительного завода в г. Эри, шт. Пенсильвания [23]. Система (рис. 15.2) предназначалась для транспортирования корпусов электродвигателей — крупногабаритных, массивных (от 70 кг до 1 т) металлических отливок вдоль довольно протяженной последовательности обрабатывающих станков.
ГПС компании «Дженерал Электрик» была создана на основе челночной тележки, перемещающейся по колее длиной 64 м. Тележка управляется с помощью ПК под общим наблюдением центрального компьютера. При движении тележка отклоняет специальные планки, каждой из которых присвоен двоичный номер. Фотоэлектрические датчики фиксируют эти. номера и таким образом проверяют положение тележки. Сообщается, что данная ГПС позволила на 87,5 % сократить время обработки корпуса электродвигателя при общем росте производительности труда на 240 %. Одновременно на 38 % был увеличен выпуск продукции при сокращении рабочих пло-.щадей на 25 %.

«В сегодняшнем обществе Баскина — Роббинса все модные вещи имеют по крайней мере 31 оттенок»
Эти слова принадлежат Джону Нейсбитту и заимствованы из его известной книги [49]. Нейсбитт продолжает: «В Соединенных Штатах продаются 752 различные модели легковых и грузовых автомобилей — и это не считая цветов окраски, в которых они выпускаются. Если Вам нужна особо компактная модель, Вы можете выбрать из 126 различных типов. В Манхеттене находится магазин, где продаются исключительно светильники; их ассортимент насчитывает 2500 различных типов. Наиболее экзотический светильник поступает из Финляндии, излучаемый им свет можно сравнить с сиянием солнца. Сегодня в США продается более 200 марок (или сортов, как их называют в промышленности) сигарет».
То, что заметил Нейсбитт, —это огромное разнообразие вариантов, предлагаемых потребителю в 80-е гг., что общеизвестно, но такое положение создалось не вдруг, и для большинства это было предметом для размышлений. А вот чего не сформулировал Нейсбитт — это почему появилось это разнообразие. Сейчас видно, что оно обязано своим появлением на свет гибкому производству, ставшему возможным благодаря компьютеру и микропроцессору. И хотя у нас очень богатый выбор, мы постепенно привыкаем к такому разнообразию, а это в свою очередь стимулирует производство к дальнейшему созданию все новых и новых образцов товаров.

Микропроцессор является основным элементом в конструкции автоматизированного производственного оборудования, хотя он может показаться не столь значительным из-за малых размеров и ненаглядного функционального назначения. Однако знание роботов и автоматизированного производственного оборудования инженером не является полным до тех пор, пока он не изучит конструкцию, программирование и практическое применение этих малогабаритных ИС. Увеличение функциональных возможностей и снижение стоимости ИС за последние два-три десятилетия явились самым большим технологическим прорывом в нашем веке. Неудивительно, что -роботы и автоматизированное оборудование, основа технологического развития, находятся в стадии интенсивного совершенствования.
В состав любой ЭВМ входит центральный процессор, память определенного объема и средства для передачи данных. Память может быть энергозависимой и -энергонезависимой, для записи-считывания (ЗУПВ), только считывания (ПЗУ), а также промежуточной между двумя последними (ППЗУ, СППЗУ и ЭППЗУ). Память каждого из этих типов находит применение в определенных случаях в роботах и производственных автоматизированных установках.
Передача данных осуществляется посредством информационных шин с использованием логических схем И, принципы работы которых рассмотрены ранее. Передача данных к периферийному оборудованию и обратно от последнего к микропроцессору осуществляется последовательно или параллельно через блоки ввода-вывода данных.
Инженеры по автоматизации должны иметь представление о программировании микропроцессоров, однако это не означает, что они должны быть специалистами по программированию на языке ассемблера. Программирование на языках ассемблера применяется в автоматизированном оборудовании, и инженер по автоматизации должен иметь это в виду. Однако на практике программирование производится на машинном языке и должно выполняться на машинном языке конкрегного микропроцессора с использованием соответствующего руководства по программированию. В настоящей главе представлены несколько примеров программ с кратким пояснением для программирования на языке ассемблера—в шестнадцатеричной системе счисления.
Микропроцессоры находят применение, с одной стороны, в основном оборудовании, а с другой — в системах на основе микроЭВМ. Между этими типами оборудования находится третий тип —специализированные устройства управления, которые располагают максимальными потенциальными возможностями для увеличения производительности и автоматизации заводского оборудования. Образование инженера по автоматизации не считается законченным до тех пор, пока он не сможет вести разработку под заказчика специализированных роботов или устройств управления. Такая разработка необходима для решения проблем с использованием микропроцессоров на собственных предприятиях.