Роботы. История развития машин - Александр Алексеевич Прасол
Всем знакомы исполины-электровозы, тянущие за собою сотню вагонов. Почти все они изготовлены на Новочеркасском электровозостроительном заводе. Кому посчастливилось увидеть, хотя бы по телевизору, помещения этого предприятия, тот видел стоящие машины в сборочных цехах. На каждом железнодорожном пути помещается сразу по несколько локомотивов. Вокруг них снуют электрокары, подающие слесарям-сборщикам детали, под потолком проносятся фермы мостовых кранов с зацепленным электродвигателем или собранной колесной парой. Это обычный ритм большого завода. Так вот, Новочеркасский завод стал первым в железнодорожном машиностроении предприятием, на котором реализуется концепция «цифрового» завода. Для НЭВЗ создан его «виртуальный двойник». Благодаря новейшим информационным технологиям удалось реализовать многие решения по автоматизации и роботизации производства. А цифровые двойники цехов позволяют имитировать каждую технологическую операцию в машинном мозгу, оптимизировать работы и проверить точность каждого решения. Рассмотрим коротко процесс создания новой техники.
Каждая машина рождается в чертеже. В прошлом конструкторские бюро были уставлены специальными кульманами – большими чертежными досками, за которыми трудились чертежники. Они рисовали каждую деталь будущего электровоза. Гайки, раму, тележку, колеса. Труд непростой, очень ответственный, поскольку эти чертежи затем передавались в производство, и уже по ним в литейных цехах отливались будущие детали. В токарных их обтачивали. В сборочных из подготовленных деталей собирались готовые узлы, вспомогательные агрегаты. Их затем устанавливали на раму, закрепляли, соединяли между собой. И в итоге получался электровоз. Оставалось его только подкрасить, и можно отправляться в поездку.
С развитием компьютерной техники и появлением специализированных программ типа «Автокад» труд чертежника сошел на нет. Теперь инженер-конструктор на большом мониторе видит объемную модель детали, над которой работает. Достаточно незначительных манипуляций на клавиатуре, и вот уже деталь увеличилась в размере или изменилась ее конфигурация. Конструировать новые изделия стало гораздо проще, и процессы создания новой техники сократились в разы.
А теперь представим, что наша электронная чертежная доска соединена через информационную систему с литейным станком или 3D-принтером. Нажатие одной кнопки – и пошла отливка или послойная печать нужной детали.
В этом и состоит смысл цифрового двойника завода. Весь процесс создания продукции выполняется умными машинами, соединенными в единую вычислительную среду. Машинный интеллект управляет людскими и материальными ресурсами, следит за ходом производственного процесса, оперативно расшивает узкие места, решает проблемы.
Цифровизация Новочеркасского завода позволила создать 3D-модели 12 цехов и территории завода. Это дает возможность организовать движение материальных средств по предприятию, выполнить расчеты потребностей в персонале и ресурсах. Кроме того, оптимизированы многие рабочие операции, что дает существенный экономический эффект, повышает производительность труда. Все производственные потоки – сварочно-кузовное, сборочное, малярное производство и испытательный передел – контролируются вычислительной сетью. Роботизация позволила использовать бесконтактные технологии. Есть такая технология RFID – радиочастотная идентификация изделий. На любую деталь наносится крошечная, буквально размером с песчинку, радиометка. В ней зашифрована информация об изделии. Обнаружить ее глазом бывает непросто, а вот приемник радиочастот не только легко определяет нужный предмет, но и получает сведения о нем. И теперь представим такую картину: по безлюдному складскому помещению движется робот-автопогрузчик. Он отыскивает нужную деталь, лежащую на стеллаже, захватывает ее и доставляет в нужное время к нужному месту. Это и есть элемент завода-призрака, за которым – будущее. Информационная среда, включающая и интернет вещей, может обходиться без участия человека на большом числе производственных площадок. За оператором остаются функции первичного ввода необходимых данных и контроль исполнения.
Умные машины получили возможность проявить себя и в деле, которое раньше выполняли наиболее квалифицированные слесари-разметчики. Речь идет о плоскостной резке металла. До этого такие операции выполнялись при помощи лекал и особых шаблонов. Над каждым листом «колдовал» очень квалифицированный человек, перенося при помощи мела, краски или чертилок очертания деталей корпуса. Затем в дело включался газосварщик, который ацетиленовым резаком разрезал лист. Работа была трудной и очень ответственной, ведь раскрой не допускал брака. Современные технологии существенно упростили и ускорили процесс заготовок из листового железа. При помощи лазерной разметки на рабочей поверхности создается точная голограмма, с помощью которой можно производить операции монтажа, резки, сварки, окрашивания без применения шаблонов, линеек, рулеток и других инструментов ручной разметки. Машина подгоняет будущие элементы с таким расчетом, чтобы допускались минимальные пропуски, это экономит металл. Компьютерное зрение контролирует безопасность технологических процессов и выявляет возникающие дефекты, отбраковывает детали, в которых нарушены размеры и т. д. Для электровозов на НЭВЗ так изготовляются клеммные рейки. Их оптическое сканирование позволяет проверять в целом качество электрического монтажа.
Цифровизация НЭВЗ позволила создать роботизированные рабочие места там, где труд особо напряженный. Роботы разрубают металл для изготовления статоров и роторов электродвигателей, режут плазменными резаками толстые листы проката для заготовок рамы, кузовных деталей. Роботы сваривают огромные многометровые детали, легко вращая заготовки в специальных рамах-станинах.
Роботизированный комплекс для сварки балки вагонной тележки представляет собой систему из двух сварочных роботов, расположенных в потолочном положении на колоннах, установленных на линейной направляющей. Каждая из независимых тележек роботов оснащена отдельным синхронизированным приводом. Общее количество одновременно управляемых, синхронизированных, приводов – 16. Комплекс имеет две рабочие зоны, свободно передвигается вдоль расположенной двенадцатиметровой линейной направляющей.
Как только заготовки балки попадают на производственную линию, два робота начинают сварку. Это ускоряет процесс и исключает простой оборудования, пока вращатель переворачивает балку. Роботизированный сварочный комплекс оснащен поисковыми сенсорами, станциями автоматической чистки горелок, системой безопасности и специализированными сварочными горелками, а манипуляторы обеспечивают доступ практически ко всем местам для сварки.
Мы затронули возможности цифрового производства. Сегодня даже маленькие дети уже настолько привыкли к возможностям интернета, что не представляют жизни без его подсказок, напоминаний, рассказов или демонстрации видео. А в последние годы воздействие всемирной паутины (так называют интернет из-за расшифровки WWW – wide world web) распространилось даже на окружающие нас предметы. И возникло новое понятие – интернет вещей IoT (от англ. Internet of Things). Это простое определение грандиозной концепции, которая открывает перед человеком новые возможности. Робототехника получает новый импульс развития благодаря интернету вещей. Ведь все производственное оборудование (вещи) интегрируется в единую информационную среду, взаимодействуя друг с другом и внешней средой. Посредством различных датчиков, контроллеров и другого программно-аппаратного обеспечения образуется CPS (cyber-physical system – киберфизическая система).
Управляющая система в режиме реального времени получает данные о каждой производственной единице, ее состоянии, загруженности, полученных заданиях, материально-технических ресурсах, необходимых для выполнения работы. Например: прежде чем начать превращение железной заготовки в металлоизделие, в виртуальном мире создается ее копия, которая проходит все этапы производства. При этом удается увидеть все сложности, издержки, с которыми придется столкнуться, не затратив пока ни одного рубля реальных денег.
