Анализ и обобщение опыта и тенденций создания промышлен­ных роботов в отечественной и зарубежной робототехнике показы­вает, что все большее распространение получает электромеханиче­ский привод промышленных роботов. Впоследние год

Вид материалаДокументы

Содержание


5.9. Экономическая эффективность применения промышленных роботов
Определение экономической эффективности внедрения робо­тизированных комплексов.
5.10. Надежность промышленных роботов и РТК
Механическая часть.
Устройства управления
Методы повышения надежности промышленных роботов.
Использование технической диагностики.
Техническое обслуживание (ТО)
L (w). Разновидности этого показателя: Р (t)
Подобный материал:
1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   12

5.9. Экономическая эффективность применения промышленных роботов

Экономическая эффективность промышленных роботов — очень важный, хотя и не единственный показатель возможности и целесо­образности применения промышленных роботов в промышленности и народном хозяйстве СССР.

Рассмотрим методику расчета экономической эффективности от внедрения промышленных роботов на предприятиях машинострои­тельной промышленности.

Внедрение промышленных роботов в машиностроении требует выполнения определенных технических и организационных меро­приятий, затраты на которые должны учитываться при расчете эко­номической эффективности. К ним относятся:

1) предварительная технологическая подготовка (анализ изде­лий, технологических процессов и оборудования);

2) модернизация основного технологического оборудования с целью подготовки его к применению промышленных роботов;

3) создание специального или специализированного оборудова­ния для ориентированного хранения (либо транспортирования) за­готовок и деталей;

4) создание специальной или специализированной оснастки и инструмента;

5) перепланировка производственных участков.

Расчет экономической эффективности и выбор баз сравнения сле­дует проводить с учетом принадлежности ПР к роботизированному технологическому комплексу.

Основными источниками экономической эффективности промыш­ленных роботов и РТК являются:

1. Повышение производительности оборудования, т. е. объема выпускаемой продукции с основного технологического оборудова­ния, обслуживаемого роботом, или повышение производительности труда на операциях, выполняемых промышленным роботом.

2. Повышение производительности труда в результате замены ручного труда на вспомогательных, транспортных операциях (за­грузка-разгрузка деталей и инструмента, транспортирование дета­лей и т. д.) и основных технологических операциях (сварка, сборка, окраска и пр.).

3. Повышение ритмичности производства.

4. Повышение коэффициента сменности оборудования без уве­личения численности рабочих.

5. Уменьшение потерь, связанных с субъективными особенностя­ми человека (постоянство режима работы в течение смены).

6. Снижение процента брака и повышение стабильности качест­ва продукции.

7. Уменьшение размеров оборотных средств в незавершенном производстве.

Применение промышленных роботов, кроме того, позволяет ре­шить в народном хозяйстве ряд социальных задач, а именно: изменить характер труда и создать новые условия труда рабочего в про­мышленности; снизить травматизм и возможность возникновения профессиональных заболеваний; уменьшить текучесть кадров; об­легчить общую демографическую проблему нехватки рабочей силы в народном хозяйстве; уменьшить затраты на жилищное и культур­но-бытовое строительство и т. д.

При расчете экономической эффективности нужно правильно выбрать базовый, сопоставимый вариант. Сравнивать необходимо по объему и качеству выпускаемой продукции, режиму работы, уровню цен, используемым тарифам и комплексу специальных фак­торов. Сопоставляют варианты по годовому объему продукции, как правило, при условии двухсменной работы оборудования. В особых случаях, связанных с непрерывным технологическим процессом, а также для случая, когда число смен оговорено заданием заказчи­ка, экономический эффект определяют для заданного режима про­изводства.

Оптовую цену оборудования действующего производства (базо­вый вариант) для сопоставимости нужно привести к современному уровню цен (с 01.01.1982 г.) применением следующих коэффициен­тов: 1,6—к оборудованию, изготовленному до 1967 г.; 1,2 — к оборудованию, изготовленному в 1968—1972 гг. Цены базового оборудования, которое изготовлено в 1973—1981 гг., но не вошло в прейскуранты, введенные в действие с 01.01.1982 г., принимают с коэффициентами по справочнику «Изменение средних оптовых цен в связи с введением 01.01.1982 г. новых прейскурантов» (М., 1981) или по иным нормативным документам.

Определение экономической эффективности разработки и со­здания промышленных роботов и роботизированных технологи­ческих комплексов. При создании новых роботов и РТК расчет экономической эффективности проводят на следующих этапах:

1) разработка технико-экономического обоснования создания ПР и РТК;

2) разработка технического задания (ТЗ);

3) разработка технического проекта;

4) разработка рабочей документации;

5) приемка опытного образца.

Расчеты на первом и втором этапах носят предварительный ха­рактер. На всех последующих этапах проводят уточненные расчеты в связи с изменением некоторых параметров и уточнением цен. При приемке опытного образца расчет должен учитывать сравнитель­ную производительность, указанную в акте приемки, и проектируе­мую оптовую цену.

В качестве базового варианта для сравнения на этапе создания промышленного робота принимают лучшие образцы, выпускаемые серийно в СССР или за рубежом, которые имеют сопоставимые тех­нические показатели и технологические возможности. В случае от­сутствия аналога в СССР или за рубежом в качестве базы принима­ют: 1) для производственных роботизированных комплексов — пере­довое специальное технологическое оборудование, используемое для аналогичных операций в СССР (с ручными операциями); 2) для технологических роботизированных комплексов, рассчитанных на работу с технологическим оборудованием определенного назначе­ния,— то же оборудование с ручным обслуживанием. При этом из номенклатуры оборудования, которое может обслуживать промыш­ленный робот, нужно выбрать одну модель со средними показателя­ми или модель, занимающую значительный удельный объем в вы­пуске.

Для универсальных промышленных роботов расчет должен про­водиться в условиях преимущественного использования роботов с назначением соответствующих баз сравнения. Для РТК в качест­ве базы сравнения принимают основное технологическое оборудова­ние, входящее в состав данного комплекса, который обслуживает­ся другим промышленным роботом, выпускаемым серийно в СССР или за рубежом, либо то же оборудование с ручным обслуживанием. При создании роботизированных комплексов, в состав которых вхо­дят технологические роботы (сборочные, сварочные и др.), в качест­ве базы сравнения принимают лучшее аналогичное оборудование или действующий технологический процесс, реализуемый с приме­нением ручного труда.

При создании промышленных роботов экономический эффект рас­считывают с учетом использования их в составе соответствующего роботизированного комплекса. Известно, что применение РТК по­зволяет сократить организационные потери и время простоев обо­рудования, повысить равномерность выпуска продукции, упорядо­чить планирование и диспетчеризацию. В связи с этим коэффициент загрузки оборудования принимают равным 0,85, а для базового варианта — 0,6.. .0,7.

При создании полностью автоматизированных комплексов, снаб­женных системой автоматической диагностики и устранения неис­правностей, смены инструмента, контроля и т. д., которые обеспе­чивают безотказную работу в течение трех смен, в расчетах прини­мают трехсменный режим работы, а для базового варианта в этом случае — двухсменный.

Решение о целесообразности создания промышленного робота или роботизированного технологического комплекса принимают на основании расчета экономического эффекта от производства и ис­пользования выпуска этого оборудования в расчетном году:

Э = ЭедА2 (5.2)

где Э — годовой экономический эффект, р.; Эед — экономический эффект от производства и использования одного (единицы) промыш­ленного робота или роботизированного технологического комплек­са, р.; А2 — выпуск промышленных роботов в расчетном году, шт.; индексы «1» и «2» в формуле (5.2) и в последующих формулах отно­сятся соответственно к базовому и новому оборудованию, а величи­ны без индексов относятся к обоим вариантам.

Если экономический эффект определяют для серийно выпускае­мых промышленных роботов, то за расчетный год принимают второй год с начала их промышленного производства, а для очень сложных моделей роботов — третий. Начало серийного производства исчис­ляют от первого года включения роботов в план производства и, как правило, после изготовления установочной серии.

Экономический эффект от производства и применения одного промышленного робота определяют по формуле

Эед=(Ц1*В2/В11н)/(Р2н))+((И12)-Ен*(К21))/(Рамн)-Ц2 (5.3)

где Ц1, Ц2 — стоимость оборудования, p.; B2/B1 — коэффициент, учитывающий рост производительности единицы нового оборудова­ния по сравнению с базовым; В1, В2 — годовой объем продукции, производимой при использовании единицы базового и нового обору­дования, в натуральных единицах; Р1, Р2— доля отчислений от балансовой стоимости на полное восстановление базового и нового оборудования, р. (рассчитывают как величину, обратную сроку службы оборудования, определяемому с учетом морального износа оборудования); Ен— нормативный коэффициент эффективности ка­питальных вложений, равный 0,15; (Р1н)/(Р2н) - коэффициент уче­та изменения сроков службы нового оборудования по сравнению с базовым, как правило, Р1 = Р2, тогда

1н)/(Р2н)=1

Р1 и Р2 могут иметь разное значение только в тех случаях, когда изменение этих параметров обусловлено требованиями заказчика в его заявке на разработку новой продукции и отражено в норма­тивно-технической документации; Рам — доля (коэффициент) от­числений на реновацию (амортизацию) при использовании потреби­телем нового оборудования, р. (рассчитывают как величину, обрат­ную сроку службы Тс нового оборудования, определяемому с уче­том морального износа; средние прогнозируемые сроки службы промышленных роботов составляют 8 лет, при этом Рам = 0,0874); И1 и И2 — годовые эксплуатационные издержки потребителя при использовании базового и нового оборудования в расчете на годо­вой объем продукции, производимой с помощью нового оборудова­ния, р. (амортизационные отчисления на оборудование учитывают­ся в этих издержках только в части, предназначенной на его капи­тальный ремонт, т. е. без учета средств на реновацию; в издержках учитываются также амортизационные отчисления по соответствую­щим капитальным вложениям потребителя); К1; К2 — соответству­ющие капитальные вложения потребителя (без стоимости оборудо­вания) при использовании базового и нового оборудования в расче­те на годовой объем продукции, производимой с помощью нового оборудования, р.

Сопутствующие капитальные вложения К' представляют собой сумму единовременных затрат потребителя новой техники на основные и оборотные фонды (без стоимости новой техники):

К' = Км + Кзд + Кслнз + Кпр + Кп.у + Ктех + Кж (5.4)

где Км — затраты по установке и доставке оборудования; Кзд — стоимость помещения, занимаемого оборудованием; Ксл — стои­мость служебно-бытовых помещений; Кнз— оборотные средства в незавершенном производстве; Кпр — стоимость специальных при­способлений; Кп.у — стоимость программ управления; Ктех — за­траты на проектные работы по привязке промышленного робота и роботизированного технологического комплекса к условиям заказ­чика; Кж — стоимость жилищного и культурно-бытового строитель­ства.

Расчет сопутствующих капитальных вложений ведут на единицу нового оборудования и эквивалентное количество оборудования базового варианта.

Годовые эксплуатационные издержки потребители И определя­ют суммированием изменяющихся прямых затрат и расходов на со­держание и эксплуатацию оборудования:

И = Ииз + Ип.у + Ипр + Иу.с.п + Им - Ипл + Исл + Ир + Иу + Иэ + Ив (5.5)

где Ииз — годовая зарплата условно высвобождаемых рабочих (со всеми начислениями); Ип.у — годовые затраты на подготовку и возобновление программ управления; Ипр — годовые затраты на амортизацию и ремонт специальных приспособлений; Иу.сп — го­довые затраты на прокат универсально-сборочных приспособлений; Им — годовые амортизационные отчисления на полное восстанов­ление по сопутствующим капитальным вложениям (затраты по до­ставке и установке оборудования); Ипл — годовые затраты на амор­тизацию и содержание помещения, занимаемого оборудованием; Исл — годовые затраты на амортизацию и содержание служебно-бытовых помещений; Ир — годовые затраты на ремонт (включая ка­питальный) и техническое обслуживание оборудования (кроме устройств ЧПУ); Иу — годовые затраты на техническое обслужива­ние и «ремонт ЧПУ; Иэ — годовые затраты на силовую электроэнер­гию; И„ — годовые затраты на сжатый воздух. Для отдельных типов промышленных роботов некоторые статьи могут быть исключены или добавлены в зависимости от конкретных производств.

Основная статья экономии эксплуатационных издержек при ис­пользовании промышленных роботов, роботизированных комплек­сов и линий — заработная плата условно высвобождаемых рабочих, которую можно определить умножением среднегодовой заработной платы одного рабочего на количество высвобождаемых рабочих. В расчетах экономической эффективности следует учитывать реаль­ную заработную плату по профессиям и разрядам с учетом коэффи­циентов выполнения норм, премий, дополнительной заработной платы и отчислений на соцстрах. На стадии создания промышлен­ного робота заработную плату рабочих целесообразно рассчитывать

на основании нормативов. При отсутствии таких нормативов, а так­же на этапе внедрения заработную плату принимают по данным конкретных предприятий. К. расчетному фонду основной и дополни­тельной заработной платы (без отчислений на соцстрах) по сравни­ваемым вариантам на всех этапах расчета вводят коэффициент k =1,49, учитывающий общественные фонды потребления.

Определение экономической эффективности внедрения робо­тизированных комплексов. Основной экономический эффект может быть получен при внедрении промышленных роботов и роботизиро­ванных комплексов на конкретных заводах и предприятиях-потре­бителях. Экономическую эффективность внедрения рассчитывают для следующих этапов:

1) определение целесообразности внедрения;

2) определение фактического экономического эффекта от внед­рения.

В случае, когда внедрение происходит в порядке модернизации существующего технологического процесса и сопровождается заме­ной устаревшего оборудования, экономическую эффективность оце­нивают сравнением показателей по трем вариантам производства: роботизированный комплекс; технологическое оборудование, вхо­дящее в состав комплекса с ручным обслуживанием; заменяемое оборудование. Решение о целесообразности внедрения той или иной новой техники принимают по минимуму приведенных затрат в сравниваемых вариантах. Фактическую экономию определяют сравнением с заменяемой техникой.

На этапе внедрения расчеты экономического эффекта выполняет завод, приобретающий промышленные роботы, или по его поруче­нию организация-разработчик и утверждает главный инженер это­го завода.

На всех этапах внедрения годовой экономический эффект опре­деляют по формуле

Э2 = (31 - 32) = (С1нК1) -2 + ЕнК2) (5.6)

где Э2 — экономический эффект от использования промышленных роботов и роботизированных комплексов за один год эксплуатации; З1 — приведенные затраты потребителя по базовому варианту, рас­считанные на годовой выпуск продукции, которая производится при использовании роботизированного комплекса; 32 — приведенные затраты потребителя при использовании роботизированного комп­лекса; d — себестоимость по базовому варианту, рассчитанная на годовой выпуск продукции, которая производится при использова­нии роботизированного комплекса; С2 — себестоимость годового выпуска продукции, производимой на роботизированном комплек­се; K1— капитальные вложения потребителя по базовому вариан­ту, рассчитанные на годовой выпуск продукции, которая произво­дится при использовании роботизированных комплексов; К2 — капитальные вложения потребителя при использовании роботизиро­ванного комплекса; Ен — нормативный коэффициент эффективности, равный 0,15.


Эффективность внедрения будет иметь место в случае положи­тельной разности приведенных затрат З1 — 32. При этом срок оку­паемости должен быть менее 6...7 лет.

Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений определяют по формуле

Ток=(К21)/(С12) (5.7)

Капитальные вложения потребителя определяют так:

К = Кб + Кзд + Кол + Кнз + Кпр + Кп + Ктех + Кж, (5.8)

где Кб — балансовая стоимость оборудования.

Если в качестве базового принимают современное оборудование, то балансовую стоимость рассчитывают по формуле

Кб1iPпіα,

гдеЦ1i— оптовая цена конкретной модели базового оборудова­ния; а — коэффициент, учитывающий затраты на доставку и уста­новку оборудования, включая пусконаладочные работы; Pпіα— при­нятое количество оборудования.

Если в качестве базового принимают оборудование действующего предприятия, то при расчете Кб не учитывают, а под ним понимают балансовую стоимость конкретной модели базового оборудования по данным заказчика.

Балансовую стоимость роботизированного комплекса Кб2 опре­деляют либо умножением его стоимости Цз на коэффициент а, либо по фактическим данным предприятия (если комплекс введен в экс­плуатацию).

Себестоимость годового выпуска продукции определяют по фор­муле

С = Из + Ип.у + Ипр + Иу.с.п + Иб + Ипл + Исл + Ир + Иу + Иэ + Ив, (5.9)

где Иб — годовые амортизационные отчисления на полное восста­новление оборудования,

И6 = КбР (5.10)

Здесь Р — амортизационные отчисления на полное восстановление ' оборудования в долях единицы.

В настоящей методике, как и в методике для станков с числовым программным управлением, годовые амортизационные отчисления от стоимости оборудования учитывают следующим образом:

— на полное восстановление оборудования — в процентах к балансовой стоимости по формуле (5.10);

— на капитальный ремонт — в зависимости от ремонтной слож­ности оборудования и разработанных нормативов годовых затрат на единицу ремонтной сложности по всем видам ремонта, включая капитальный.

Определяя целесообразность приобретения промышленных ро­ботов и роботизированных комплексов, используют расчетные показатели (годовую программу выпуска деталей, количество наимено­ваний обрабатываемых деталей и т. д.) и нормативные данные. Стои­мость проектных работ по привязке промышленных роботов к кон­кретным условиям заказчика принимают по смете к договору либо по данным заказчика.

Чтобы рассчитать фактическую экономическую эффективность внедрения промышленных роботов и роботизированных комплек­сов, нужно иметь данные, характеризующие фактическую номен­клатуру деталей, обрабатываемых на этом оборудовании, факти­ческую годовую программу выпуска каждой детали. Фактические данные по эксплуатации роботизированного комплекса в сравнении с базовым вариантом должны быть утверждены заводом-заказчи­ком.

Стоимость роботизированного комплекса принимают по балан­совой стоимости по данным бухгалтерии завода с учетом фактиче­ских затрат на проектные работы.

Чтобы рассчитать экономическую эффективность промышленных роботов, можно пользоваться «Инструкцией по оценке экономиче­ской эффективности создания и использования автоматических манипуляторов с программным управлением (промышленных робо­тов)» (М. : НИИМаш Минстанкопрома, 1983.— 84 с).

Полезные материалы приведены в «Межотраслевой методике определения экономической эффективности новых направлений тех­нического прогресса на примере внедрения гибких производствен­ных систем», подготовленной межотраслевым советом по роботам в области экономики и выпущенной в серии «Межотраслевая эконо­мика и совершенствование хозяйственного механизма» (Вып. 1., М., 1986).


5.10. Надежность промышленных роботов и РТК

Общие положения. Надежность промышленных роботов — это свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять двига­тельные и управляющие функции с заданной точностью позициони­рования.

Известно, что надежность — сложное свойство, характеризую­щееся четырьмя составляющими: безотказностью, ремонтопригод­ностью, сохраняемостью и долговечностью. Каждой составляющей надежности соответствует некоторая пара взаимно исключающих состояний. Для безотказности и ремонтопригодности такими состоя­ниями являются работоспособное и неработоспособное состояния, для долговечности — допредельное и предельное состояния, для сохраняемости — состояния сохранности и несохранности. Кон­кретное состояние робота определяется с помощью набора парамет­ров, причем для каждой составляющей надежности это должен быть (в общем случае) свой набор параметров.

Перейдем к более подробному рассмотрению каждой составляю­щей надежности. Начнем с самой важной — безотказности.

Известно, что безотказность есть свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Промышленные роботы, как правило, функционируют в цикли­ческом режиме. Время одного цикла может быть представлено в виде двух интервалов: интервала ожидания tож и интервала непо­средственного выполнения своих функций tф.

Выше было отмечено, что безотказность связана с двумя состоя­ниями: работоспособным и неработоспособным. Событие, заключаю­щееся в переходе от работоспособного состояния к неработоспособ­ному, называется отказом.

Отказы робота могут быть классифицированы по различным признакам. Качественно отказы делятся на два вида: отказы вида «прекращение функционирования» и отказы вида «неправильное функционирование». По способу проявления отказы делятся на яв­ные и скрытые. Отказы вида «прекращение функционирования» считаются явными, если они произошли на интервале tф и скрыты­ми, если они произошли на интервале tож . Отказы вида «неправиль­ное функционирование» являются скрытыми только в том случае, если их проявление заключается в увеличении погрешности пози­ционирования. В остальных случаях эти отказы явные.

По скорости проявления отказы делятся на внезапные и посте­пенные. Внезапные отказы заключаются в мгновенном переходе от работоспособного состояния к неработоспособному (например, по­ломка некоторого звена кинематической передачи манипулятора). При постепенном отказе процесс изменения состояния робота рас­тянут во времени (например, постепенный износ зубьев зубчатых передач и, как следствие, появление ошибок позиционирования ро­бота).

Из всего изложенного выше следует:

1) описание безотказности должно проводиться для каждого вида отказов отдельно;

2) возможность скрытых отказов побуждает ввести в техническое обслуживание такие процедуры, которые способствовали бы выяв­лению этих отказов и дальнейшему их устранению;

3) возможность постепенных отказов диктует необходимость пе­риодической подрегулировки и восстановления тех узлов и меха­низмов, для которых свойственны эти отказы.

Теперь перейдем к номенклатуре показателей безотказности для промышленных роботов.

Наиболее универсальным показателем безотказности является вероятность выполнения заданной процедуры L (w). Считается, что процедура может быть выполнена, если промышленный робот был работоспособен в момент поступления запроса на его действия и оставался работоспособным во время выполнения требуемых опера­ций.

В зависимости от условий и продолжительности времени ожида­ния и времени выполнения функций этот показатель может транс­формироваться в следующие показатели: вероятность безотказной работы за время tф — если вероятность отказа за время ожидания запроса tож практически равна нулю; коэффициент готовности kгесли продолжительность tф настолько мала, что если запрос застал робота в работоспособном состоянии, то вероятность отказа во вре­мя запроса практически равна нулю.

Теперь перейдем к рассмотрению следующей составляющей на­дежности — ремонтопригодности.

Ремонтопригодность определяется как свойство объекта, заклю­чающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения тех­нического обслуживания и ремонтов.

Ремонт — это комплекс операций по восстановлению исправ­ности или работоспособности робота. Время восстановления опре­деляется как сумма трех слагаемых:

Твобремпров (5.11)

где Тоб— время обнаружения отказа; Трем— время непосредст­венного проведения восстановительных работ; Тпров— время про­верки восстановленного робота.

Следует отметить, что если Трем и Тпров определяются в основ­ном конструкцией робота, т. е. закладываются при проектировании, то То6 определяется главным образом режимом функционирования робота. Эта составляющая ремонтопригодности может корректиро­ваться выбором режима и параметров технического обслуживания.

Для описания ремонтопригодности используют следующие по­казатели: среднее время восстановления ; вероятность восстанов­ления за заданное время τ— в тех случаях, когда перерыв в функ­ционировании робота не должен превышать время τ — Рв (τ).

Техническое обслуживание (ТО) — это комплекс операций по под­держанию работоспособности или исправности робота.

Основными характеристиками ТО являются его периодичность Тп и длительность Тд.

Для совместного описания показателей безотказности и ремон­топригодности могут быть использованы такие показатели, как ко­эффициент готовности



где — наработка на отказ; — среднее время восстановления и коэффициент технического использования



где — средняя продолжительность всех сеансов технического обслуживания за время .

Сохраняемость робота определяет его способность к хранению и транспортированию. Роботы, как правило, транспортируются в упакованном состоянии, на месте производится монтаж и включе­ние в работу. Поэтому эта составляющая надежности существенного значения для роботов не имеет.

Долговечность роботов в основном ограничивается моральным из­носом и должна быть не менее 6 лет.

Итак, основными составляющими надежности роботов являют­ся безотказность и ремонтопригодность, и поэтому в дальнейшем речь будет идти в основном об этих составляющих.

С надежностью непосредственно связана еще одна важная со­ставляющая качества роботов — безопасность. С одной стороны, применение промышленных роботов освобождает человека от учас­тия в сложных технологических операциях, протекающих в агрес­сивных или вредных средах либо выполняющихся в темпе, недоступ­ном для человека. С другой стороны, в процессе эксплуатации про­мышленных роботов иногда могут возникнуть ситуации, представ­ляющие опасность как для человека, так и для расположенного поблизости оборудования. К основным причинам таких ситуаций по­вышенной опасности относятся:

1) неправильные (непредусмотренные) движения манипулятора;

2) отказ технологического оборудования;

3) ошибочные действия оператора во время наладки и ремонта;

4) появление человека в рабочей зоне манипулятора при его работе в автоматическом режиме;

5) превышение номинальной грузоподъемности робота;

6) неудобное или недостаточно свободное размещение техноло­гического оборудования, пультов управления, накопителей и транс­портных средств;

7) отсутствие специального ограждения манипулятора и разме­щение пультов управления внутри его рабочего пространства;

8) отключение (в случае аварийной остановки манипулятора) устройств, перерыв в работе которых может вызвать травмы у об­служивающего персонала;

9) отсутствие своевременной и четкой информации об аварийных ситуациях и причинах возникновения неполадок.

Все эти причины могут быть сгруппированы следующим обра­зом: I группа — ошибки обслуживающего и оперативного персона­ла (3, 4, 5); II группа — конструктивные недоработки (5, 6, 7, 9), III группа — отказы промышленного робота (1, 2, 8).

Среди всех перечисленных выше причин наиболее важны при­чины, относящиеся к III группе, так как они инициируются самим роботом. Если не предприняты соответствующие меры безопасности, то развитие ситуации повышенной опасности может привести к зна­чительному материальному ущербу или к травмированию обслу­живающего персонала. Назовем такой отказ опасным. (Сказанное выше относится в первую очередь к промышленным роботам сред­ней и большой грузоподъемности.)

Меры безопасности по отношению к опасным отказам должны закладываться на этапе проектирования промышленных роботов. Алгоритм обеспечения безопасности может быть представлен сле­дующим образом:

— составляется перечень ситуаций повышенной опасности, ко­торые могут возникнуть из-за отказов в промышленном роботе или роботизированном технологическом комплексе;

— определяется перечень оборудования, отказы которого мо­гут привести к такой ситуации, и создается модель «угрозы опас­ности»;

— конкретизируются виды отказов по названному выше обору­дованию и в соответствии с моделью «угрозы опасности» определяет­ся вероятность возникновения опасного отказа за некоторое рас­четное время (например, за год, квартал и т. д.). Если полученное расчетное значение не удовлетворяет нормативам по безопасности, то принимаются меры по повышению надежности вышеназванного оборудования либо по защите персонала и оборудования от ава­рии.

Для описания надежности роботов по опасным отказам исполь­зуют показатели, характеризующие:

— опасность возникновения ситуации в течение некоторого за­данного интервала времени нормального функционирования ро­бота;

— опасность возникновения ситуации в результате воздействия на робот внешнего экстремального фактора.

К этим показателям относятся:

— средняя наработка робота до возникновения j-й ситуации по­вышенной опасности при нормальных условиях функционирования робота

— вероятность возникновения j-й ситуации повышенной опас­ности в течение заданного времени τ при нормальных условиях функционирования Q/ (т);

— вероятность возникновения j-й ситуации повышенной опас­ности в результате воздействия s-гo экстремального фактора Фs — Qjs).

В заключение отметим, что от надежности роботов в значитель­ной степени зависит эффективность их эксплуатации. С другой сто­роны, обеспечение надежности также всегда связано с определенны­ми затратами. Поэтому, чтобы иметь возможность сопоставлять эти два +показателя, предлагается воспользоваться следующими коэффи­циентами: коэффициентом снижения производительности из-за не­надежности робота

uпр=(N0-Np)/(N0)

где N0, Np — производительность абсолютнб надежного и реаль­ного роботов соответственно.

Коэффициент снижения экономичности из-за ненадежности ро­бота

Uэ=(Ср0)/(С0)

где С0, Ср— стоимость обработки і-й детали с помощью абсолютно надежного и реального роботов соответственно.

Оценка надежности промышленных роботов. Промышленный робот представляет собой совокупность исполнительного механизма (механическая часть) и устройства управления. Рассмотрим каждую из этих составных частей с позиций надежности.

Механическая часть. По функциональному признаку механи­ческую часть делят на несущую и исполнительную.

Три основных компонента несущей части — кисть, рука и стой­ка — в общем случае соединены под разными углами. Соединение их происходит за счет шарниров или направляющих, контактная жесткость которых меньше, чем жесткость других стыков. Из-за этого в узлах соединения возникают люфты, которые влияют на точность позиционирования манипулятора.

В исполнительной части снижение точности и увеличение време­ни позиционирования происходят из-за деформации механической системы под воздействием инерционной нагрузки. Деформация под действием инерционной нагрузки приводит к возникновению зату­хающих механических колебаний, ухудшающих качество позицио­нирования.

Таким образом, основными видами отказов механической части робота являются постепенные отказы, ухудшающие характеристики позиционирования робота.

При испытаниях робота «Универсал-50М» были выявлены сле­дующие причины появления постепенных отказов:

— низкое качество изготовления отдельных элементов — раз­рушение зубчатого колеса привода поворота, утечка масла из соеди­нений, люфт в механизме качания руки, низкая точность изготов­ления шариковой муфты передачи крутящего момента;

— низкое качество комплектующих изделий — утечка азота из гидроаккумуляторов, самопроизвольное движение золотников гидроусилителей;

— недостатки конструкции — отвинчивание стопорных гаек на штоке привода ЗУ, большое время прогрева масла.

Внезапные отказы, появляющиеся в механической части робо­та, в основном могут быть отнесены к категории отказов-сбоев, или самоустраняющихся отказов. К ним относятся: нестабильная ра­бота клапанов, самопроизвольная остановка в точках позициони­рования и т. д.

Показателем безотказной работы по постепенным отказам для механической части робота следует выбрать Р (τ) — вероятность безотказной работы за некоторое фиксированное время τ. В качест­ве τ могут быть использованы: продолжительность смены; продол­жительность обработки одной партии деталей; время между двумя сеансами технического обслуживания и т. п.

Поскольку на точность позиционирования, как было показано выше, влияет большое количество факторов, причем изменения точности, вызываемые этими факторами, могут не только суммиро­ваться, но и взаимно компенсировать друг друга, аналитическая оценка надежности по постепенным отказам практически нереальна и поэтому наиболее доступный способ оценки надежности — прове­дение специальных испытаний.

Наиболее эффективный способ повышения надежности в отноше­нии постепенных отказов — проведение технического обслужива­ния. Техническое обслуживание механической части заключается в настройке и регулировке, устранении люфтов, замене изношенных деталей и т. д. Периодичность ТО, конкретная программа работ, выполняемых во время ТО, и его длительность для каждого вида робота определяется экспериментальным путем на этапе опытно-промышленной эксплуатации с учетом информации об изделиях-ана­логах.

Теперь перейдем к устройствам управления.

Устройства управления (УУ) промышленного робота предназ­начены для формирования и выдачи управляющих воздействий ис­полнительному устройству в соответствии с управляющей програм­мой.

Можно выделить два самостоятельных режима функционирова­ния УУ — режим программирования и режим передачи управляю­щей программы на исполнение.

В режиме программирования выполняются ввод и отладка уп­равляющей программы. Управляющая программа может быть со­ставлена на основании расчета либо с помощью человека-оператора, осуществляющего обучение робота, при котором программа вводит­ся в устройство управления.

В режиме передачи управляющей программы осуществляется управление исполнительным устройством в соответствии с заданной программой.

Режим программирования, как правило, заканчивается про­веркой записанной программы путем изготовления опытного образ­ца или выполнения проверочной операции, по которой судят о ка­честве записанной программы, поэтому можно считать, что как в режиме программирования, так и в режиме передачи управляющей программы задействовано все устройство управления.

Отказом устройства управления считается невыработка управ­ляющего воздействия либо выработка ложного управляющего воз­действия, т. е. в УУ существует два вида отказов: отказы типа «не­срабатывание» и отказы типа «ложное срабатывание».

Для отказа типа «несрабатывание» конкретный выбор номенкла­туры показателей надежности зависит от режима функционирова­ния промышленного робота. Так, если на робот возлагается задача выполнить некоторую операцию (осуществить перемещение детали, произвести сварку в нескольких точках и т. д.), то устройство уп­равления должно обеспечить выработку соответствующего управ­ляющего воздействия, и поэтому безотказность данного устройства описывают показателем L (w) — вероятностью выполнения требуе­мой процедуры при поступлении запроса, где под запросом пони­мают сигнал, поступивший в УУ либо от датчиков, либо от опера­тора. Этот показатель следует понимать как вероятность того, что устройство управления будет работоспособным в момент поступле­ния запроса на выполнение работы и сохранит работоспособность на протяжении всего времени отработки управляющего воздействия.

В зависимости от условий функционирования этот показатель может принимать вид Р (t) или kо.г. Если запросы поступают прак­тически непрерывно и устройство управления должно быть работо­способным в течение вполне определенного времени (например, на протяжении смены или времени между сеансами технического об­служивания основного технологического оборудования и т. п.), то безотказность такого устройства следует описывать показателем Р (t). Если время ожидания запроса значительно превышает время его выполнения, то в качестве показателя, совместно характеризу­ющего безотказность и ремонтопригодность УУ, может быть выбран коэффициент оперативной готовности kо.г или коэффициент готов­ности kr.

Безотказность по отказам типа «ложное срабатывание» может описываться таким показателем, как средняя наработка на «ложные срабатывания» , а ремонтопригодность УУ — показателем Рр (t) — вероятностью восстановления за время t, где t — время перерыва между сменами, циклом работы и т. д.

Если время восстановления не ограничено каким-то интерва­лом, связанным с режимом работы технологического оборудования и т. п., то возможно использование показателя — среднего вре­мени восстановления УУ.

Для оценки показателей безотказности УУ используют все три группы методов: аналитические, статистического моделирования и экспериментальные (методы испытаний на надежность). В настоя­щем разделе остановимся на первых двух группах методов.

Исходными данными при использовании как аналитических ме­тодов, так и методов статистического моделирования служат данные о структуре УУ, надежности отдельных элементов структуры и условиях функционирования, если они отличаются от записанных в паспорте на элемент (например, УУ работает при повышенной тем­пературе).

В основе двух названных разновидностей методов оценки надеж­ности лежит понятие надежностно-функциональной схемы (НФС), представляющей собой ориентированный однонаправленный граф. Узлы графа — это элементы рассматриваемой системы (прямоуголь­ники) и выполняемые системой функции (окружности). Ребра графа отображают взаимодействия элементов при выполнении заданной функции. В графах выделяются узлы высшего и низшего рангов: узел имеет высший (низший) ранг, если все связанные с ним ребра графа направлены только к нему (от него).



Рис. 5.24. Структура однонаправленного графа



Рис. 5.25. Структура «2 из 3»



Рис. 5.26. Структура надежно­стно-функциональной схемы «2 из 3»

Путем в графе называется произвольная траектория движения от одного узла к другому вдоль ориентированных ребер. Узел графа проходим для путей, если соответствующий элемент УУ находится в состоянии работоспособности. Если элемент находится в нерабо­тоспособном состоянии, то соответствующий узел закрыт для путей в графе. Данный узел имеет путь наверх, если существует хотя бы один путь, соединяющий его с одним из узлов высшего ранга. Так, функция, изображенная на рис. 5.24, будет выполняться, если в работоспособном состоянии будут элементы 3...7 и один из двух элементов 1 или 2.

С помощью НФС можно отобразить и более сложные структуры, например соединение «2 из 3» (рис. 5.25).

Структура неработоспособна по отказам типа «несрабатывание» только в случае отказа всех трех элементов. В то же время струк­тура устойчива к отказам типа «ложное срабатывание» — сигнал пройдет на выход только в том случае, если он появится не менее, чем в двух каналах.

Для НФС такой структуры вводятся так называемые «равноко-довые» элементы. Структура «2 из 3» с помощью равнокодовых эле­ментов представлена на рис. 5.26. 1 и 1' — равнокодовые элементы. Физически это один и тот же элемент, поэтому отказы 1 и 1' насту­пают одновременно (аналогично 2 и 2', 3 и 3').

Оценка надежности УУ аналитическими методами может быть получена в том случае, если известно математическое выражение (или система математических выражений), связывающее значение искомого показателя надежности всего устройства с известными значениями показателей надежности его элементов.

Проиллюстрируем это на простейшем примере.

Пример. Определить значения показателей надежности для типового уст­ройства управления.

Оцениваемые показатели надежности: вероятность безотказной работы по от­казам типа «несрабатывание» в режиме «управление» за время t = 8 ч (продолжи­тельность одной смены) Pl (t); вероятность безотказной работы по отказам типа «несрабатывание» в режиме «программирование» за время t = 1ч (продолжительность записи программы) Р2 (t); средняя нара­ботка на «ложное срабатывание» Тл.с (табл. 5.2).

Таблица 5.2. Данные по безотказности элементов

Номер елемента

Тнеср, ч

Тл.с, ч

1

2200

-

2

2000

1000

3

10 000

-

4

5000

5000

5

1000

4000

6

2000

2000

7

30 000

-

Pi(t)=exp(-t/T)

Введем обозначения:

При t=8 Pi(t)= Pi1

При t=1 Pi(t)= Pi2

Тогда















Полагаем, что для всех элементов закон распределения времени безотказной работы — экспо­ненциальный. В этом случае вероятность безотказной работы (і-го элемента за t часов опреде­ляется по формуле

В данном примере не учтено большое количество факторов, с которыми приходится сталкиваться в реальных системах (проведе­ние технического обслуживания, наличие скрытых отказов и т. д.). В случае более сложной модели исследуемого процесса функциони­рования устройства управления пользуются методом статистиче­ского моделирования на ЭВМ.

В основе метода статистического моделирования лежит модели­рование на ЭВМ различных случайных величин, характеризующих исследуемый процесс. В результате моделирования на основании полученного статистического материала дается количественное опи­сание исследуемых случайных величин.

Количественная оценка надежности может быть использована для решения следующих задач:

1) выбор наилучшего (с позиций надежности) конструктивного варианта промышленного робота;

2) определение эффективности использования промышленного робота;

3) необходимость мероприятий по повышению надежности ро­бота.

На последней задаче остановимся более подробно.

Методы повышения надежности промышленных роботов. Из­вестны следующие основные методы повышения надежности:

1) использование более надежных комплектующих;

2) улучшение условий функционирования промышленных ро­ботов;

3) введение различных видов резервирования;

4) использование технической диагностики;

5) проведение технического обслуживания.

Достоинства первых двух методов очевидны и, как правило, на этапе проектирования они используются в максимально возможной степени. В качестве примера можно упомянуть следующий факт. Наибольшая часть отказов промышленных роботов приходится на места сопряжения манипулятора с электронной системой управле­ния и датчиками. Для повышения надежности вместо электронных линий связи используют оптические и волоконно-оптические.

Остановимся более подробно на третьем, четвертом и пятом ме­тодах.

Резервирование. Возможны следующие виды резервирования: временное, структурное, информационное.

Временное резервирование заключается в наличии некоторого временного запаса, в течение которого может осуществляться ре­монт отказавшего оборудования.

Информационное резервирование предполагает использование резерва информации (например, неоднократную передачу управляю­щего воздействия).

Структурное резервирование заключается в применении резерв­ных элементов структуры объекта.

Резерв может быть нагруженным и ненагруженным. Нагруженный резерв — это резерв, который содержит один или несколько резерв­ных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Ненагруженный резерв — это резерв, который содержит один или несколько элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента.

Использование технической диагностики. Техническая диагнос­тика является мощным средством повышения эффективности про­мышленных роботов. Анализ исследований электромеханических и механических систем показывает, что приблизительно 90 % отка­зов возникает вследствие скрытых внутренних дефектов и лишь 10 % — из-за неправильной эксплуатации. К дефектам, вызываю­щим отказы, относятся технологические погрешности изготовления и сборки, дефекты, появляющиеся в процессе эксплуатации, в ре­зультате старения и износа, воздействия вибраций, температуры и т. д.

Диагностика технического состояния промышленного робота должна проводиться как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации. На этапе сборки могут быть допущены следующие технологические погрешности: отклонение формы; локальные де­фекты; зазоры; разноразмерности.

Поэтому в процессе сборки должны контролироваться: дисба­ланс; отклонения размещения элементов; перекосы; несоосности; биения.

В процессе эксплуатации проводится контроль следующих па­раметров: энергетических потерь; характеристик упругости; соб­ственных вибраций.

Эффективный способ диагностирования — анализ тенденции из­менения контролируемого параметра. Этот параметр может быть выбран: в механической части; в электромагнитной системе; в смазке.

Для диагностирования может использоваться также анализ со­става рабочей жидкости в гидросистеме.

Нормальное отклонение перечисленных параметров составляет 1...3 % за 3...7 тыс. ч. В случае аварийной ситуации такое отклоне­ние наблюдается через несколько десятков часов. Поэтому быстро­течное нарастание дефекта служит признаком аварийной ситуации.

Для механической части дефекты узлов могут быть выявлены с помощью эталонных осциллограмм крутящих моментов.

Режущий инструмент контролируется виброакустическим мето­дом с синхронизацией измерений по частоте впадения заготовки или инструмента.

Задача распознавания технического состояния робота может решаться как с прекращением функционирования, так и без прекра­щения функционирования. Второе направление — особенно важ­ное. В литературе описан один из подходов к диагностированию ме­ханизмов, основанный на использовании объективных оценок их состояния, которые рассчитываются по значениям основных кине­матических и динамических параметров, определяемых в ходе экс­периментальных исследований.

В основу метода положено утверждение о том, что каждое техни­ческое состояние промышленного робота характеризуется своим эталоном хэт(t) выбранного диагностического параметра и допуском на отклонение от него. В качестве диагностического параметра мо­гут быть использованы скорость, ускорение, усилие, давление и т. д. Задача определения технического состояния сводится в этом случае к задаче экспериментального определения текущей реализации ди­агностического параметра х (t) и отнесения его к одному из состоя­ний диагностируемого объекта.

Изменение состояния механических и электромеханических уст­ройств можно контролировать по изменению частот их собственных колебаний.

Из всего изложенного выше следует, что процедура диагности­рования робота — это трудоемкий процесс, усложняющийся тем, что неисправность любого узла непосредственно сказывается на ра­боте связанных с ним элементов и, как правило, приводит к много­уровневому наложению последствий одного отказа. Поэтому для упрощения процедуры обслуживания и ремонта роботов в Японии была разработана автоматизированная диагностическая система. Перечислим ее основные достоинства.

1. Структурированное представление априорной информации о неисправностях и связанных с ними симптомах в виде правил вывода; использование методов искусственного интеллекта для по­иска неисправностей.

2. Организация взаимодействия с оператором в интерактивном режиме. Система диагностики проверяет предположения оператора об источнике неисправности, формирует запрос на дополнительное выполнение тестовой процедуры или управляет ходом выполнения этой процедуры, а также выдает собственные предположения и за­ключения о виде неисправности.

3. В отличие от большинства подобных систем рассматриваемая диагностическая система может использоваться непосредственно в режиме «on-line», что дает возможность проводить дополнитель­ное тестирование реального робота в процессе диагностики.

Реализованная диагностическая система представляет собой ап­паратно-программный комплекс, состоящий из трех основных час­тей: собственно системы диагностики, сервоконтроллера и проверя­емого робота с интерфейсными схемами. Экспертная диагностиче­ская система ориентирована на работу с современными промышлен­ными роботами, управляемыми от микроЭВМ. Процесс диагностики управляется оператором в режиме диалога. Структура данных ди­агностической системы используется при анализе состояний «откло­нение от заданной траектории» и «неподвижность руки робота».

Техническая диагностика, определяя реальное состояние про­мышленного робота, позволяет рационально выбрать режим, пара­метры, а также перечень работ по восстановлению утраченных на­дежностных свойств робота. Среди этих работ важнейшей является техническое обслуживание.

Техническое обслуживание (ТО) заключается в проведении работ по восстановлению на еще не отказавшем объекте и делится на пла­новое и неплановое.

Плановое ТО заключается в проведении мероприятий по регули­ровке, корректировке систем позиционирования, смазке трущихся поверхностей, замене жидкости в гидроприводах и т. д. Для плано­вого ТО заранее известен перечень работ, их периодичность и дли­тельность.

Внеплановое ТО проводится по результатам диагностирования. Его характерной особенностью является то, что как периодичность, так и конкретный перечень работ, как правило, заранее неизвест­ны. Тем не менее, для внепланового ТО также должно быть спрог­нозировано соответствующее материальное обеспечение (объем ЗИП, состав обслуживающего персонала, перечень необходимого обору­дования для проведения ТО).

Отметим, что наибольший эффект в повышении надежности ро­ботов может быть получен в том случае, если все перечисленные выше способы используются совместно, т. е. речь идет о создании рациональной системы технической эксплуатации робота, в которую составными частями входят следующие подсистемы: эксплуатацион­ный персонал; техническое диагностирование; система ремонта и технического обслуживания робота; ЗИП (состав, размещение, по­рядок пополнения).

Надежность роботизированных технологических комплексов в целом должна описываться по основной их функции, заключаю­щейся в выполнении требуемой технологической операции. Для каж­дого вида оборудования РТК должно быть сформулировано свое понятие функции и по отношению к этой функции должны быть пока­затели надежности.

Основной показатель надежности РТК — вероятность успеш­ного выполнения требуемого цикла работ L (w). Разновидности этого показателя: Р (t) — вероятность успешного функционирова­ния РТК в течение некоторого временного интервала, например, смены — если РТК на протяжении смены работает практически не­прерывно; коэффициент оперативной готовности ko.r — kr Р (Δt) — если время ожидания запроса на выполнение некоторой операции превышает (время непосредственного выполнения этой операции).

Эти показатели надежности непосредственно зависят от показа­телей надежности всех видов оборудования, входящего в РТК.

Поэтому при задании показателей надежности отдельных видов оборудования необходимо осуществлять выбор показателей надеж­ности таким образом, чтобы с помощью этих показателей можно бы­ло определить показатель надежности РТК в целом. Поясним это на некоторых примерах.

Для РТК, применяемого в кузнечно-прессовом производстве (см. рис. 5.6), можно отметить следующее. Время непрерывного функционирования РТК определяется продолжительностью раз­грузки магазинного устройства 7. В период загрузки магазинного устройства при необходимости могут быть выполнены некоторые работы, относящиеся к ТО для РТК.

Приемную тару 3 и ограждения 4 можно считать практически аб­солютно надежными элементами. Таким образом, для данного РТК основным показателем надежности является Р (τ) — вероятность безотказной работы РТК в течение времени τ, где τ — продолжи­тельность разгрузки магазинного устройства 7. Этот показатель определяется по формуле

Р(τ)= Р5(τ)*Р1(τ)*Р2(τ)*Р6(τ),

где Р5(τ), Р1(τ), Р2(τ), Р6(τ),— вероятности безотказной работы за время τ двурукого промышленного робота, пресса, схвата манипуля­тора, устройства управления соответственно.

Для роботизированных технологических комплексов, приме-

няемых в механообработке, характерны (с точки зрения надежнос­ти) следующие особенности:

1) РТК некоторое время обрабатывает определенную разно­видность деталей, а потом наступает период переналадки техноло­гического оборудования;

2) при механообработке очень высокие требования предъяв­ляются к точности позиционирования промышленного робота.

Отсюда следует: безотказность РТК характеризуется показа­телем Р (τ) — вероятностью безотказной работы за время τ, где τ — продолжительность обработки деталей из одной партии (без перена­ладки станка).

К основным видам отказов РТК относятся постепенные отказы по точности позиционирования. Поэтому должен быть обязательно исследован показатель Рпост(τ) — вероятность безотказной рабо­ты ПР за время τ, который в данном случае определяется как вероят­ность сохранения точности позиционирования.

Оценку показателей надежности РТК, как правило, осущест­вляют аналитическим методом или методом статистического моде­лирования и выполняют в два этапа. На первом этапе определяют показатели надежности отдельных видов оборудования. На втором этапе вычисляют значение показателей надежности для всего РТК в целом.

Повышение надежности РТК может осуществляться методами, описанными в разделе «Методы повышения надежности промышлен­ных роботов».