Юревич - Основы Робототехники - 5. Наиболее широко контактная точечная сварка с помощью
 Скачать 3.6 Mb.
|
|
ГЛАВА 13. СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РОБОТОТЕХНИКИ 13.1. Социально-экономическая эффективность применения средств робототехники. Рассмотрение вопроса об эффективности и, соответственно, перспективности какого-либо нового научно-технического направления или нового вида техники необходимо начинать с сопоставления его с основными целями общества, а затем уже переходить к оценке его чисто экономической эффективности. Действительно, могут быть такие научно-технические идеи, которые, давая определенное и даже очень большое повышение эффективности конкретного производства, принципиально несовместимы с общей целью и принципами нашего общественного производства или в чем-то противоречат им. Например, применение конвейера и полуавтоматического оборудования, повышая производительность, резко ослабляет творческий характер труда. Организация производства на конвейере ведет к такой дифференциации операций, при которой работающие не нем выполняют однообразные, монотонные движения фактически без необходимости приложения каких-либо интеллектуальных усилий. Тем не менее дифференциация и упрощение трудовых операций имеют важное положительное следствие: именно они создают предпосылки перехода к полностью автоматическому производству в том числе с использованием промышленных роботов, что позволяет вообще исключить труд человека при их выполнении. Итак, рост производительности труда и, соответственно, расширение объема производимого совокупного продукта в целом ряде случаев ведут к объединению содержания труда и соответственно снижению его престижности. Выход из указанного противоречия заключается в переходе к принципиально новым техническим решениям, позволяющим освободить человека от однообразных, физически тяжелых и лишенных интеллектуального содержания операций. Дальнейший рост производства на основе использования достижений современной науки и техники связан еще с другими ограничениями, которые вызваны ограниченными возможностями человека. Они касаются увеличения интенсивности технологических процессов, возрастания числа процессов, протекающих в агрессивной и вредной для человека среде (химия, атомная энергетика и др.). Чтобы снять все указанные ограничения, опять-таки, необходимо передать часть трудовых операций новым техническим средствам. Не менее существенные ограничения возникают и в отношении управления качеством производимой продукции. Практика показывает, что в производстве с преобладанием ручного труда практически невозможно гарантировать стабильно высокое качество продукции. Робототехника относится именно к тем научно-техническим направлениям, с помощью которых могут быть преодолены указанные объективные противоречия в 2 развитии современного производства между растущей специализацией трудовых операций и необходимостью усиления содержательности труда. Она освобождая человека от тяжелого и опасного труда с другой стороны освобождает производство от непосредственного участия в нем людей и тем самым снимает связанные с ними ограничения на дальнейшую интенсификацию производственных комплексов и внедрения новых технологических процессов принципиально не допускающих присутствие людей. Рассмотрим конкретные особенности оценки эффективности применения средств робототехники в производстве. Анализ результатов использования роботов в различных отраслях промышленности и типах производств подтверждает, что они могут быть эффективно применимы в условиях как мелкосерийного, так и массового производства. В массовом и крупносерийном производстве с быстрой сменой объекта производства (автомобилестроение, радиопромышленность, производство электробытовых приборов и т.п.) перспективным является использование роботов для обслуживания агрегатных станков и переналаживаемых автоматических линий на операциях загрузки-выгрузки технологического оборудования на начальных и конечных позициях линий, для внутрицехового транспортирования. Применение роботов позволяет осуществлять комплектацию и запуск таких линий в более короткие сроки. Роботы можно эффективно применять, в частности, для замены специального вспомогательного оборудования на отдельных операциях в автоматических технологических комплексах в период модернизации или замены этого оборудования. В этом случае отпадает необходимость останавливать комплекс на длительный период, а затраты на переоснащение роботов оказываются значительно ниже потерь вследствие простоя комплекса в течение всего периода модернизации или замены специализированного вспомогательного оборудования на конкретных операциях. В серийном и мелкосерийном производстве наиболее перспективным является применение роботов в сочетании с оборудованием с ЧПУ. Это позволяет полностью решить на базе групповой организации производства проблему изготовления изделий малыми партиями. В любой области применения роботов их необходимо рассматривать как компонент всего производственного комплекса, включающего другое основное и вспомогательное технологическое оборудование, объединенное общей системой управления. Использование роботов оказывает существенное влияние на такие важные экономические характеристики, как производительность труда, объем производства продукции, себестоимость, рентабельность, фондоотдача. Рост производительности труда обеспечивается, с одной стороны, увеличением объема производства, а с другой сокращением численности производственных рабочих. Рост объема производства происходит вследствие улучшения использования оборудования, повышения его производительности и снижения брака. При этом улучшение использования оборудования достигается за счет как факторов экстенсивного, так и интенсивного характера. Факторы интенсивного характера предусматривают улучшение использования оборудования в единицу времени вследствие сокращения трудоемкости вспомогательных операций (загрузки-выгрузки 3 деталей, транспортировки и т.п.). Повышение экстенсивного использования оборудования обусловлено увеличением времени его работы. В условиях роботизации это обеспечивается сокращением различного рода потерь рабочего времени и повышением сменности работы оборудования Снижение брака продукции является следствием устранения влияния таких индивидуальных и субъективных факторов, как квалификация, опыт, утомляемость рабочего, его состояние. В условиях роботизации происходит абсолютное и относительное сокращение численности производственных рабочих. Под относительным сокращением численности понимается возможность повысить объем производства при той же численности производственных рабочих благодаря увеличению годового эффективного фонда времени работы оборудования в результате использования роботов. Увеличение объема производства в условиях роботизации приводит к снижению себестоимости продукции в результате уменьшения доли условно-постоянных накладных расходов на единицу продукции, сокращения непроизводительных расходов, таких, как оплата сверхурочных работ, оплата простоев рабочих, снижение потерь от брака, а также удельных затрат по содержанию и эксплуатации оборудования. Снижение себестоимости продукции достигается за счет экономии заработной платы рабочих, высвобождаемых абсолютно и относительно. Эта составляющая является одной из самых очевидных и значительной при оценке экономической эффективности ПР. Экономия на заработной плате образуется также вследствие опережающего темпа повышения производительности труда по сравнению с темпом роста заработной платы. Применение роботов позволяет улучшить использование производственных фондов, которое характеризуется показателями рентабельности и фондоотдачи. При этом рентабельность увеличивается вследствие возрастания общей суммы прибыли, получаемой в результате роста объема производства. Для оценки экономического эффекта от применения роботов в конкретном технологическом комплексе необходимо провести комплексный технико- экономический анализ с учетом технических параметров всех агрегатов, входящих в комплекс, основных характеристик и особенностей технологического процесса, частных организационных и технико-экономических показателей, а также социальной значимости роботизации данного процесса. В целом объектами такого анализа должны послужить: - оборудование, на котором выполняются операции технологического процесса; - роботы; - вспомогательное оборудование, которое требуется для эксплуатации комплекса; - транспортно-складские системы для материалов, заготовок, готовых изделий, инструмента, оснастки, отходов производства; - запас материалов, заготовок, представляющих различного вида заделы, инструмента, технологической оснастки; 4 - постоянный гарантийный ремонтный запас деталей и элементов требуемый для нормальной эксплуатации комплекса; - устройства обеспечения других необходимых условий нормальной эксплуатации комплекса (вентиляционные, защитные и др.); - система управления комплексом в целом; - производственные площади, занимаемые комплексом; - прочие элементы, которые выявляют при изучении материального состава комплекса как объекта экономического анализа. Все расчеты экономического характера для оценки целесообразности и эффективности применения роботов следует выполнять с учетом этого полного состава объекта исследования. Кроме того, одним из важных факторов, который следует учитывать при экономическом обосновании роботизации, является надежность. Недостаточная надежность технических устройств комплекса соответственно снижает эффективность роботизации производства. В связи с этим возникает необходимость в исследовании экономической эффективности различных мероприятий по повышению надежности и выявлению оптимальной в этом смысле структуры роботизируемого комплекса. Например, чем универсальнее робот, тем он сложнее и менее надежен. В то же время использование в составе роботизируемого технологического комплекса более простых и дешевых, но менее универсальных роботов приводит к необходимости включать в состав комплекса дополнительное специальное оборудование и приспособления, компенсирующие снижение функциональных возможностей роботов. Проектирование и изготовление такого специального оборудования связаны с дополнительными затратами, а его размещение приводит, как правило, к увеличению производственных площадей, занимаемых комплексом. Каждому сочетанию технических средств технологического комплекса в свою очередь соответствует вполне определенный состав системы управления. Различными будут для рассматриваемых вариантов как капитальные, так и эксплуатационные затраты на весь срок службы комплекса. В связи с этим возникает задача определения такого состава технических устройств, входящих в комплекс, и соответствующего программного обеспечения, который дает минимум затрат на его проектирование, изготовление и эксплуатацию за весь срок службы комплекса. Социальные аспекты роботизации, связанные с улучшением условий труда, ликвидацией тяжелых, опасных и вредных для здоровья видов работ, с повышением общей культуры производства, должны быть количественно измерены и учтены в расчетах экономической эффективности применения роботов. Например, внедрение роботов уменьшает текучесть кадров, что выражается в конкретной экономии расходов на прием-увольнение, учебу и т.п. Необходимо учитывать и экономический эффект, связанный с тем, что роботизация позволяет уменьшить количество профессиональных заболеваний, снизить травматизм, сократить затраты на лечение и мероприятия по охране труда и технике безопасности. Учет социальных факторов в экономических расчетах позволяет более точно определять области эффективного применения роботов. 5 Обычно экономическую эффективность создания и применения роботов и основанных на них технологических комплексов оценивают по годовому экономическому эффекту, который представляет собой экономию приведенных годовых затрат, получаемую в результате использования роботов в составе определенного технологического комплекса или комплекса в целом. Эту экономию определяют из сравнения предлагаемого (нового) варианта с базовым, в качестве которого принимается лучший аналог, который может быть приобретен или воспроизведен на основе лицензии. Затем по этой величине определяют срок окупаемости затрат. 13.2. Техника безопасности в робототехнике. В проблеме безопасности труда при использовании роботов можно выделить следующие два аспекта: - применение роботов как средства повышения безопасности производства; - обеспечение безопасности при эксплуатации самих роботов. Первый аспект соответствует одному из первоочередных назначений роботов – высвобождение людей от травмоопасного, вредного и тяжелого физического труда. При планировании внедрения роботов в производство такого рода технологические операции получают приоритет, и на таких операциях роботы внедряют наиболее успешно. В машиностроении к этим операциям относятся, в частности, обслуживание кузнечно-прессового оборудования и металлорежущих станков (особенно при обработке тяжелых заготовок), оборудования в гальваническом и литейном производствах, в производстве изделий из пластмасс, а также такие основные технологические операции, как сварка, окраска, погрузочно-разгрузочные и транспортные работы. В немашиностроительных отраслях такими операциями являются установка крепи в забое, обслуживание отбойных и бурильных агрегатов, в горнодобывающей и угольной промышленности, обслуживание оборудования и фасовка продукции во вредной для здоровья атмосфере в химической и нефтехимической промышленности, различные манипуляционные операции в металлургической промышленности, атомной энергетике и других производствах в экстремальных условиях (вредные излучения, взрывоопасность. предельные температуры, загазованность, запыленность и т.п.). В мире накоплен определенный положительный опыт повышения безопасности труда с помощью роботов прежде всего в машиностроении (на штамповке, в гальваническом производстве, в производстве пластмассовых изделий, на термообработке, погрузо-разгрузочных и транспортно-складских операциях). Второй названный выше аспект робототехники с точки зрения безопасности труда – это обеспечение безопасной работы самих роботов, которые при определенных условиях могут представлять собой источник повышенной опасности для человека, а также для работающего с ними оборудования. Опыт свидетельствует о возможности несчастных случаев, в том числе со смертельным исходом, при работе с роботами. В 6 Японии, где применение роботов достигло наибольших размеров, по данным статистики почти каждый третий рабочий так или иначе сталкивается с опасностью, создаваемой роботами. В основном такая опасность вызывается следующими причинами: - неисправность собственно робота из-за нарушения его механической прочности или отказов в системе управления; - ошибки программирования и настройки, вследствие чего при эксплуатации возможны непредвиденные движения с выходом из огражденной рабочей зоны или механические повреждения робота; - потери объекта манипулирования и другие аварийные ситуации из-за превышения допустимых динамических режимов и перегрузок; - нарушение персоналом условий эксплуатации робота (вход в рабочую зону, особенно при отключенных средствах безопасности, отсутствие личных средств безопасности, включая каску, превышение допустимой грузоподъемности, несоответствие исполнения робота реальным условиям эксплуатации, другие нарушения технических условий на робот или технологический комплекс, в составе которого он работает); - неправильная работа средств безопасности, которыми оборудованы робот и его рабочая зона (устройства блокировки, сигнализации, защитные ограждения и т.п.). Статистика показывает, что большая часть несчастных случаев с обслуживающим персоналом связана с нахождением в рабочей зоне при программировании, настройке и ремонте роботов. Несчастные случаи во время работы робота в автоматическом режиме составляют всего единицы процентов. Мероприятия по обеспечению безопасности роботизированных производств должны быть предусмотрены на всех этапах их создания и эксплуатации, начиная с формулирования технических требований, и регламентированы соответствующими нормативно-техническими документами, а также специальными документами по технике безопасности в робототехнике. Общие требования по безопасности при проектировании и эксплуатации роботов стандартизированы. В этих требованиях, в частности регламентированы следующие позиции: Если при программировании и наладке робота требуется пребывание персонала в его рабочей зоне, то в этих режимах должно быть предусмотрено снижение скорости его исполнительных устройств до 0,3 м/с. Пульт управления робота должен выдавать информацию о режиме его работы, срабатывании блокировок и работающего с ним технологического оборудования, наличии сбоев в работе, начале движения робота. Регламентированы также требования к предохранительным, блокирующим и защитным устройствам, которыми должны быть оснащены роботы. Применительно к организации технологических комплексов регламентированы: - необходимость комплексной автоматизации всех основных и вспомогательных операций с допустимостью сохранения за оператором в основном только некоторых функций управления и контроля; 7 - наличие блокирующих устройств и ограждений, требования к ним; - планировка комплекса с учетом размеров рабочих зон роботов; - требования к организации рабочих мест операторов, к пультам управления и расположенным в других местах дополнительным органам аварийного отключения. Применительно к эксплуатации роботов разработаны: - требования, предъявляемые к обслуживающему персоналу, и перечень их обязанностей; - инструкции по охране труда. В обязанности обслуживающего персонала, в частности, входят проверка оборудования и блокировочных устройств перед началом работы, обязательная регистрация в специальном журнале всех неполадок и аварийных ситуаций. ГЛАВА 14. РОБОТОТЕХНИКА ЗАВТРА. Современная робототехника как новое научно-техническое направление идейно сформировалась через несколько лет после провозглашения Н.Винером концепции кибернетики под ее влиянием. Робот как нового типа машина-автомат ворвался в сложившуюся классификацию машин как что-то инородное: он может быть и технологической машиной и транспортной и информационной, а может и вообще выпадать из этой категории, выполняя функции технологического устройства, приспособления или средства автоматизации. Правда, и в последнем робот тоже сразу же стал «возмутителем спокойствия» и породил новый термин «роботизация», который никак не вписывается в понятие «автоматизация». До этого были известны манипуляторы, управляемые человеком, однопрограммные автоматические манипуляторы-автооператоры, механические руки. Но, вот, появились манипуляторы с ЧПУ, их назвали роботами и родилось новое научно-техническое направление – робототехника. С самого начала в развитии робототехники определялись две, правда, сперва довольно слабо связанные цели – прикладная и фундаментальная. Прикладная цель была объективно обусловлена развитием современного производства, а именно переходом к комплексной гибкой автоматизации, к гибким автоматизированным производствам. Здесь одной из первоочередных задач стало создание выявленного в ходе этих работ недостающего звена в перечне компонентов таких производств, которое должно заменять человека, выполняющего различные манипуляционные операции – основные технологические и вспомогательные. Из этой задачи сразу же выделилась как отдельная задача высвобождения людей от опасных и вредных работ. Затем по мере развития робототехники, естественно, возникла задача создания средств робототехники, предназначенных для работ, которые принципиально не могут выполняться с помощью или даже просто в присутствии людей (дальний космос, глубины океана, новые интенсивные безлюдные технологии и т.д.). Возникли экстремальная робототехника, медицинская микроробототехника, биоробототехника, шагающие машины и другие специальные разделы робототехники. Появилось роботостроение с международной кооперацией и специализацией. Постепенно сложились определенные принципы построения, проектирования и применения средств робототехники и основанных на них технических систем. Определились основные области применения и перспективы их расширения, основанные на реальных технических и экономических характеристиках этой техники. Принципиальный вопрос – по какому пути идти робототехнике – в сторону повышения универсальности роботов или, наоборот, их специализации разрешился признанием в качестве основного модульного принципа их построения. Этот принцип позволяет промышленности оперативно поставлять даже в единичных количествах роботы, собранные из хорошо отработанных унифицированных модулей, для выполнения самых разнообразных технологических операций. Таким образом, заманчивая идея создания сравнительно небольшого семейства универсальных роботов, такая близкая их прототипу – человеку, была заменена идеей универсального набора компонентов роботов – модулей. Сегодня роботы применяются практически во всех сферах человеческой деятельности, а уровень робототехники является важным показателем научно- технического, промышленного и оборонного потенциалов каждой страны. Вторая указанная выше фундаментальная цель робототехники – это экспериментальное изучение и воспроизведение феномена разумного поведения живых существ. В дальнейшем эта проблема развилась в самостоятельное научно- техническое направление, получившее название «искусственный интеллект». То, что эта проблематика наиболее остро встала именно в робототехнике, вытекает из самой ее исходной сущности, как альтернативы занятого физическим трудом человека. Первый же опыт создания таких машин показал недостаточность, и даже примитивность современной теории и техники автоматического управления и теории информации по сравнению с задачами, решаемыми человеком при выполнении даже самых простых манипуляционных операций. В связи с этим были развернуты интенсивные экспериментальные исследования с объектами типа «глаз-рука» и различными очувствленными мобильными объектами – тележками, которые продолжаются и сегодня. В последнее время к ним добавились исследования группового поведения подобных объектов (мультиагентные системы, игры роботов и т.п.). Это направление в робототехнике непосредственно соответствует основной идее кибернетики об общности информационно-управляющих процессов в технике и в живом мире. Одна из конечных целей этого направления в робототехнике – воспроизведение процесса эволюции живой природы, поскольку именно робот является технической системой, которая реализует триаду «сенсоры – мозг – активаторы (эффекторы)», замкнутую в кольцо через внешнюю среду. Именно на базе роботов представляется возможным реализовать и исследовать известный тезис «рука создала человека». Конечным научно-техническим результатом этих исследований должны стать принципы и методика самоусовершенствования интеллектуальных технических систем типа робот. Это позволит спустить курок эволюционного совершенствования роботов, пределом которого, разумеется, не будут интеллектуальные способности человека. Конечно, это эмпирика, но она даст результат, гарантированный опытом развития живой природы. Ведь ее эволюционное развитие – это тоже эмпирика, метод проб и ошибок. Однако решить эту проблему в рамках одной робототехники нереально. Здесь необходимо скоординированное взаимодействие со многими смежными научно- техническими направлениями, хотя бы потому, что для этого требуется создание принципиально нового материально-технического обеспечения не только для информационно-управляющих систем (технические нейроподобные структуры и т.д.), но и для остальных компонентов названной выше триады – исполнительных систем и сенсоров. Что касается первых, то подобно тому как робототехника явилась одной из побудительных причин и полигоном развития работ по проблеме искусственного интеллекта, она же инициировала проблему «искусственной мышцы», как проблему создания принципиально новых приводных исполнительных систем с по крайней мере на порядок лучшими массо-габаритными характеристиками, чем у таких систем, основанных на современных электрических, гидравлических и пневматических приводах. Последние именно более чем на порядок уступают по указанным характеристикам поперечно-полосатым мышцам животных. Речь идет о принципиально новом подходе к построению приводов, так же заимствованном у живой природы и основанном на параллельно-последовательной работе сотен и тысяч элементарных микроактиваторов. Аналогичная проблема перехода к микромодульному построению стоит и перед сенсорными системами. Успешное решение этих проблем будет иметь революционизирующее значение не только для робототехники, но и для всего машиностроения. Что касается собственно робототехники, то, как отмечено выше, прикладная робототехника в своем развитии практически быстро исчерпала научный задел, который был предоставлен ей, прежде всего теорией автоматического управления и информатикой, а также технический задел в виде приводов и систем ЧПУ, заимствованный у станкостроителей. И сегодня ее дальнейший прогресс почти целиком зависит от успехов в решении названных выше фундаментальных проблем. Так сомкнулись первоначально почти не связанные два направления развития робототехники – прикладное и фундаментальное. Конечно, это признак ее зрелости и становления как самостоятельной науки. В начале своего развития робототехника пережила период романтизма, период «бурь и натиска», когда казалось, что еще немного и мы «схватим бога за бороду» – наступит «роботовладельческий» строй. На смену порожденных кибернетикой споров о том может ли машина мыслить и превзойти в этом человека, разогрелись дискуссии об опасностях, которые могут принести роботы, вплоть до их бунта против человека. Затем наступили зрелость и прозрение: определился целый комплекс серьезнейших научно-технических проблем, которые стоят на пути к царству роботов. Основные из них были названы выше и, как следует из изложенного, генеральное направление дальнейшего развития робототехники – это прежде всего комплексная миниатюризация компонентов и интеллектуализация в виде распределенного интеллекта, пронизывающего все системы роботов от сенсорики до приводов и даже до конструктивных материалов и «кожи» роботов (интеллектуальные материалы) и искусственные мышцы. Решение проблемы комплексной миниатюризации в машиностроении – это одна из основ машиностроения XXI века в целом. Этот процесс начался в шестидесятые годы в наиболее молодой отрасли машиностроения – электронном машиностроении. Традиционное машиностроение основано на идеях, возникших в XVIII веке вместе с созданием первых машин. В ее основе лежит концепция повышения мощности машинных единиц как путь повышения удельной мощности, КПД и других основных показателей. Машины XXI века в значительной степени будут построены на других принципах, еще совсем недавно не прогнозируемых даже в научной фантастике. Это базирование, подобно живым организмам, на распределенные десятки тысяч адаптивных и интеллектуальных ячейки типа «сенсор-процессор-активатор». Они получили название |