Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы организационно-технологического управления роботизированными комплексами. Учебное пособие
.pdf
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ФГБОУ ВО
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
И.А. АВЦИНОВ, В.К. БИТЮКОВ
ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИОННО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
РОБОТИЗИРОВАННЫМИ
КОМПЛЕКСАМИ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2021
2
УДК 621.865.8 (021)
.
Без объявл
ББК Л 71-5-05
А18
Научный редактор профессор И.А. ХАУСТОВ
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра математического обеспечения ЭВМ
Воронежского государственного университета;
канд. техн. наук Н.Р. БОБРОВНИКОВ
(ООО ИФ «МИАС»)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Авцинов, И.А.
А18
Основы организационно-технологического управления
роботизированными комплексами [Текст] : учеб. пособие / И.А.
Авцинов, В.К. Битюков; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж:
ВГУИТ, 2021. - с.299
ISBN 978-5-00032-507-0
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО
подготовки выпускников по направлениям15.03.04, 15.04.04. - «Автоматизация
технологических процессов и производств», 27.03.04, 27.04.04. - «Управление в
технических системах», 09.03.02, 09.04.02 - «Информационные системы и технологии».
В пособии рассматриваются робототехнические системы, роботизация, робототехника,
информационное обеспечение, управление, гибкие производственные системы.
2705020000 02
A
ОК 03 2021
ISBN 978-5-00032-507-0 © Авцинов И.А., Битюков В.К., 2021
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского
государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование
(воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
()
-
-
© ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т
инж. технол.», 2021
УДК 621.865.8 (0 2 1)
ББК Л 71-5-05
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Краткая история становления робототехники …………….....5
Глава 1. Робототехника, промышленные роботы …………..10
1.1. Общие положения …………………………………….10
1.2. Исполнительное устройство промышленных роботов.....14
1.2.1. Захватные устройства промышленных роботов ………16
1.2.2. Кинематика исполнительного устройства манипулятора …..34
1.3. Информационное обеспечение промышленных роботов
и роботизированных технологических комплексов ……..44
1.4. Системы управления промышленными роботами …102
Глава 2. Робототехнические системы, классификация
промышленных роботов ……………………………………..106
Глава 3. Управление промышленными роботами
и роботизированными технологическими комплексами ….129
Глава 4. Роботизация химико-технологических
процессов, основы организационно-технологического
управления роботизированными технологическими
комплексами ……………………………………………………139
4.1. Проектирование роботизированных химикотехнологических процессов ………………………… ……140
4.2. Роботизация действующих производственных
химико-технологических процессов ………………..……143
4.2.1. Выбор объекта роботизации ………………………….145
4.2.2. Рациональная организация компоновочной
схемы роботизированных технологических комплексов ……………..158
4.2.3. Выбор модели промышленного робота для
конкретной компоновочной схемы роботизированного
технологического комплекса и объекта роботизации …………….…..180
Глава 5. Гибкие производственные системы ……………….199
4
Глава 6. Перспективные пневматические устройства
для роботизированных технологических
комплексов пищевой и химической промышленности …..215
Глава 7. Социально-организационные аспекты роботизации ….226
Глава 8. Экономическая эффективность использования
промышленных роботов, роботизированных технологических
комплексов и гибких производственных систем ………..…249
Глава 9. Промышленные роботы – объекты повышенной
опасности ……………………………………………………..…270
9.1. Опасные производственные факторы при роботизации
химико-технологических процессов …………………………..271
9.2. Мероприятия по обеспечению безопасной эксплуатации
промышленных роботов, роботизированных технологических
комплексов и гибких производственных систем ………………...289
Заключение ……………………………………………..……….296
Библиографический список …………………………..………299
5
Краткая история становления робототехники
Робототехника - наука, которой около 100 лет, однако
корни ее уходят в глубокую древность. Это, в первую очередь,
связано со стремлением человечества практически на всех этапах
развития создать механическое подобие для оказания помощи
при выполнении различной работы. Так, в IV веке до н.э. в
Александрии - столице Египта - во дворце правителя Плотемия I
Филадельфа (один из военачальников Александра Македонского)
гостей встречал “железный слуга”, имеющий внешнее сходство с
человеком. Он кланялся гостям, сопровождал их, когда они
проходили по комнатам, и даже открывал перед ними дверь.
Источником движения рук и ног слуги являлся груз, который
опускался внутри туловища и заставлял перемещаться
механические передачи. До наших дней дошла книга
древнегреческого механика Терона Александрийского
“Пневматика”(I в. до н.э.), где описано множество автоматов
(двигающиеся фигуры, поющие птицы и т.п.), совершающих
различные движения под воздействием воздуха. С помощью
воздуха “оживали” статуи, установленные в храме Дионисия:
стоило на жертвеннике храма запылать огню, как фигуры бога
Дионисия и его жены Ариадны начинали двигаться.
Искусство разработки человекоподобных автоматов
достигло наибольшего расцвета в ХVIII в. Французский механик
Жак де Вакансон (1709-1789) сконструировал “флейтиста” фигура в рост человека, исполняющего на инструменте 12 пьес,
воспроизводящего звуки вдуванием воздуха изо рта и
перекрыванием его движения через отв ерстия флейты
подвижными пальцами.
Швейцарские часовщики отец - Пьер-Жак Дро (1721-1790)
и его сын Анри-Дро (1752-1791) создали три человекоподобных
многопрограммных автомата-писца , рисовальщицу и
музыкантшу - которых в честь создателей стали называть
андроидами. В дальнейшем это название укрепилось за
6
подобными разработками. Маленький писец, с виду ребенок лет
пяти, внешне почти неотличим от живого человека, сидя перед
столом с важным видом макал гусиное перо в чернильницу,
аккуратно стряхивал лишние капли и выписывал на листе бумаги
целые фразы, не забывая оставить между словами промежутки.
Крупные, красивые, с нажимом буквы ложились в ровные строки.
Более того, он с явным удовольствием прочитывал написанное,
посыпал бумагу песком, стряхивал его и показывал зрителям
готовую работу.
В развитие робототехники внесла свою весомую и
своеобразную лепту художественная литература: термин “робот”
пришел из литературы. В 1920 г. чешский писатель Карел Чапек
написал пьесу “Р.У.Р.” (Россумские Универсальные Роботы).
Слово “робот” произошло как производное от чешского слова
“roboto”, что означает тяжелый физический труд. В пьесе отец и
сын Россумы открыли химическое соединение, из которого стали
создавать человекоподобных существ, которых назвали
роботами. “Роботы - это не люди, они механически совершеннее
нас, они обладают невероятно сильным интеллектом, но у них
нет души”, - так характеризует один из героев пьесы
искусственных людей. Повсеместное внедрение роботов в сфере
человеческой трудовой деятельности привело к тому, что люди
разучились думать, творить, работать. При этом роботы все более
совершенствуются и приобретают способность самостоятельно
думать. В конце концов они восстают и побеждают своих хозяев людей. Предводитель роботов Радий в заключение заявляет: “
Власть человека пала. Захватив комбинат, мы стали владыками
всего. Наступила новая эра! Власть роботов!”.
В настоящее время различными авторами создано большое
количество художественной литературы и видеопродукции, в
основу сюжета которых положено взаимоотношение человека и
робота.
7
Тридцатые годы XX в. характеризуются широким
распространением рекламных роботов - манекенов. Их задачей
было привлечение внимания покупателей к магазинам, выставкам
и разнообразным зрелищам. В Германии робот-манекен
демонстрировал в магазине модели новых костюмов,
рекламировал имеющиеся в продаже и вновь поступающие
товары, сообщал о них краткие сведения и цены. Движения губ
были синхронны его звукам речи, поражала необычайная
подвижность лица, в частности губ, глаз, ушей. Робот мог
двигать руками и указывать на товары. В 1932 г. англичанин
Гори Меем создал человекоподобный автомат “ Альфа”, который
по команде голосом вставал и садился, поднимал и опускал руки.
В Японии первый робот был создан в 1928 г. под
руководством доктора Нисимура Макота и был назван
“Естествоиспытатель”. Оснащенный электродвигателями, он мог
менять положение рук и ног.
Первый советский робот В2М был создан Вадимом
Мацкевичем в 1936 г. Робот был радиоуправляемый и выполнял
10 команд. В 1937 г. робот экспонировался на Всемирной
выставке в Париже. В том же году в витрине рыбного магазина на
ул. Горького в Москве появился робот-рыболов. Его туловище
напоминало консервную банку. Он сидел на пне, вставал и
забрасывал удочку, потом подносил ко рту котлету и начинал
двигать нижней челюстью, затем пел песенку.
Увлечение такими роботами продолжалось до 40-х гг. Все
эти и многие другие им подобные роботы “до электронной
эпохи” не получили развития прежде всего потому, что в них не
было в то время широкой практической потребности. Заметим,
что главная отличительная черта современных промышленных
роботов от вышеописанных игрушек состоит в том, что андроиды
не предназначались для серийного производства и были
выполнены, как правило, в единственном экземпляре.
Бурное развитие 40-х гг. ядерной энергетики создало
предпосылки для разработки дистанционно управляемых
механических манипуляторов, с которых фактически и началась
современная робототехника. Как правило, разрабатывались
8
манипуляторы копирующего типа, предназначенного для точного
воспроизведения руки и кисти оператора.
Несколько позже в 50-е гг., начались попытки применить
разработанные манипуляторы в совокупности с действующим
оборудованием. В середине 50-х гг. фирмами “Дженерал
Электрик” и “Дженерал Милз” были разработаны автоматические
манипуляторы соответственно “ Handyman ” и “ Minotaur -1”. В
1958 г. инженеры Джордж Девол и Джозеф Энгельберг
совместно с другими специалистами организовал первую в мире
робототехническую компанию “Юнимейшн”, которая в 1959 г.
выпустила первый промышленный робот. В1961 г. на
автомобильном заводе фирмы “Дженерал Моторс” в Трентоне
(шт. Нью-Джерси) был установлен первый промышленный робот
(ПР). Это устройство извлекало раскаленные отливки из форм и
складывало их. С этого периода началось активное
использование и разработка ПР. В 1967 г. был начат выпуск ПР в
Англии по лицензиям США, в 1968 г. - в Швейцарии и Японии
(тоже по лицензии США), в 1971 г. - в ФРГ, в 1972 г. - во
Франции, в 1973 г. - в Италии.
В СССР практическое применение роботов началось в
60-х гг. В 1966 г. Эникмаш (Воронеж) выпустил первый проспект
на автоматический манипулятор для переноса и укладывания
металлических листов. В 1968 г. был создан первый подводный
манипулятор, управляемый от ЭВМ. В 1969 г. появился первый
отечественный промышленный робот “Универсал - 50”, а затем в
течение еще пяти лет были созданы опытные образцы еще
нескольких моделей (например, УМ-1, УПК-1 и др.),
поступившие в серийное производство. В 1972 г. в мире имелось
уже около 3 тыс. роботов, в 1980 г. их число превысило 20 тыс., в
1985 г. - около 40 тыс., в 1990 г. - более 70 тыс., в 2000 г.
количество ПР превысило 120 тыс., а в 2020 г. – более 400 тыс.
Человечеству понадобилось около 2 50 лет, для того чтобы
экзотический андроид превратился в разнообразные автоматы.
При этом можно выделить ряд характерных этапов:
- создание механических кукол (век механики);
- механические куклы сменились чудищем с фото-
элементами вместо глаз, амперметрами на груди и кенотроном
вместо сердца (век радиотехники);
9
- чудище сменила “модель”, снабженная в большом
количестве системами автоматического регулирования и
следящими системами (век автоматики);
- понятие “робот” стало просто отождествляться с ЭВМ
(век вычислительной техники).
Ряд ученых и специалистов считает, что сейчас наступил
“золотой век искусственного интеллекта ”, полагая, что главной
отличительной чертой конструируемых в данный период роботов
является искусственный (машинный) интеллект, не уступающий
разуму человека. По прогнозам ученых, занимающихся
созданием искусственного интеллекта, к концу первого столетия
и началу второго тысячелетия будут созданы интеллектуальные
роботы, способные полностью заменить человеческий труд по
дому, в саду, огороде, гараже, на даче и способных вести диалог с
субъектом на разнообразные темы. Это наглядно подтверждено
уже в сегодняшние дни. Роботы-пылесосы свободно продаются в
магазинах, в ресторанах и кафе успешно обслуживают
покупателей роботы-официанты, на улицах поддерживают
порядок роботы-полицейские и т. д. Значительное внимание
робототехнике уделяется в военных разработках, созданы
(создаются) и успешно используются беспилотные летательные
аппараты, управляемые дистанционно (например, дроны,
квадрокоптеры и т. п.), экзоскелеты, усиливающие физические
возможности солдата, военная техника без людей, роботысолдаты и т.д. Необходимо заметить, что все представленные
разработки и им подобным (кроме военных) в большей степени
относятся к рекламной и хозяйственной деятельности человека.
Но как показала история развития робототехники, это является
первым шагом на пути создания промышленных роботов и в
современных условиях – интеллектуальных.
Таким образом, механический андроид быстро и уверенно
"прошагал" путь от подвижных статуй и замысловатых игрушек,
вызывающих удивление и восторг детей и взрослых, до
промышленного робота - неотъемлемого элемента современного
производства.
10
Глава 1. Робототехника, промышленные роботы
1.1. Общие положения
Понятие “робот” к настоящему времени уже достаточно
широко известно во всем мире, даже не просвещенный в
технических науках человек сможет дать ему определение.
Толковый словарь по машиностроению понятие “робот” трактует
следующим образом: “Автоматическая машина, способная
выполнять аналогичные человеку двигательные и управляющие
функции”. Общепринятый за рубежом словарь Вебстера:
“Автоматическое устройство, которое выполняет функции,
обычно приписываемые человеку”. Большинство ученых и
специалистов у нас и за рубежом считают, что робот это
универсальный автомат для выполнения разнообразных операций
как физических, так и умственных (интеллектуальных), в
большей или меньшей мере присущих человеку.
Современный спектр использования “умных” машин, как
иногда называют роботы, в различных сферах человеческой
деятельности велик: они применяются в быту, медицине, сферах
обслуживания и научных исследований, на транспорте в
различных отраслях промышленности. Часто роботу дают
название в соответствии с выполняемой работой, которое
красноречивее всего характеризует спектр его использования.
Известны робот - милиционер, сторож, пожарник, рыболов,
мойщик, пекарь, официант, заправщик, лаборант, контролер,
докер, спелеолог, боксер, жокей и т.п. Умные “машины”,
используемые при производстве предметов труда, получили
название промышленные роботы (ПР). В дальнейшем будем
рассматривать только их, составляющие более 80 % всего парка
роботов.
В настоящее время существует более 100 официально
зарегистрированных и общепринятых определений ПР, причем
границы последнего термина устанавливаются относительно
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]