Научно-технические разработки в области микроэлектроники продвигаются вперед семимильными шагами. Подтверждение тому — повышение степени интегрирования, т. е. количества функциональных элементов, которые могут быть реализованы на одном кристалле, от малой (10–100 функциональных элементов на каждый кристалл) и средней (102–103) степени интеграции через высокую (103–104) до высшей степени интеграции (104–106) элементов на кристалле для создания функционально ориентированных микросхем с более чем миллионом элементов. К схемам с высокой степенью интеграции относятся микропроцессоры и запоминающие устройства, являющиеся основой для создания микроЭВМ.
С развитием микроэлектроники значительно повышается не только число функциональных элементов на одном кристалле, но и надежность электронных компоновочных элементов. У кристаллов случаи отказа значительно реже, чем у прежних компоновочных элементов на основе электронных ламп или обычных транзисторов.
Даже эти немногочисленные факты свидетельствуют о том, что микроэлектроника приводит к кардинальным изменениям в области средств производства, в технологиях и виде получаемой продукции, способствует достижению новых успехов во всех отраслях народного хозяйства. Но чтобы этот процесс развивался, необходимо достаточное количество микроэлектронных компоновочных элементов. Если в 1976 г. в ГДР их было произведено на сумму в несколько миллионов марок, то к 1980 г. их производство возросло уже до 1 млрд. марок. С тех пор их производство увеличивается ежегодно на 20–40 %.
При помощи микроэлектроники промышленность производит более высококачественные изделия, и не в последнюю очередь это касается производства товаров массового потребления. Кроме того, применение микроэлектроники способствует дальнейшему расширению автоматизации и технологий с незначительной долей ручного управления и с использованием тысяч промышленных роботов, она позволяет осуществлять рационализацию в области подготовительных производственных процессов и в области оказания услуг населению.
Разработка и изготовление промышленных роботов со свободным программированием стали возможны лишь благодаря прогрессу в области микроэлектроники. Применение микроэлектронных компоновочных элементов, например дискретных схем с высокой и высшей степенями интегрирования в качестве основных узлов для электронных систем управления, ведет к дальнейшей интенсификации темпов развития в технике промышленных роботов.
Применение робототехники стимулируется и другими возможностями микроэлектроники, что способствует осуществлению дальнейшей автоматизации производственных процессов. В качестве примеров можно назвать компьютизированные производственные процессы и компьютизированное конструирование, ведущее к рационализации подготовительных производственных процессов. Тем самым появляется возможность осуществления сплошной автоматизации.
Работа конструкторов и технологов направлена на достижение эффективного взаимодействия человека и ЭВМ. Отдельные шаги в процессе конструирования и технологической подготовки производства делаются при помощи ЭВМ, которые разрабатывают для этого соответствующую структуру данных. Накопленные в ЭВМ для процесса конструирования данные и чертежи, а также соответствующие модели могут многократно комбинироваться и подвергаться последующей обработке. Все это предоставляет конструкторам и технологам широкие возможности. В ГДР уже добились значительных успехов по осуществлению рационализации в станкостроении, автомобильной промышленности, электротехнике и электронике, текстильной и обувной промышленности.
Специалист, работающий за конструкторским столом, оснащенным ЭВМ, кроме считавшихся ранее обычными видов чертежного оборудования сегодня располагает:
черно-белым дисплеем с буквенно-цифровым изображением и экраном высокого разрешения для изображения деталей чертежей, графиков и т. п.;
световым карандашом, при помощи которого можно «чертить» непосредственно по экрану;
приспособлениями для фиксирования позиций на экране;
устройствами для ввода текста, чертежей или схем;
устройством печати и автоматического вычерчивания, так называемым графопостроителем, для вывода информации и чертежей на бумагу.
Основной рабочий орган на этом рабочем месте — блок ЭВМ, состоящий из микроэлектронных элементов. База данных в ЭВМ содержит частные модели широко применяемых фасонных элементов для изготавливаемых деталей. Поэтому большая часть чертежа может быть по желанию конструктора составлена электронно-вычислительной машиной за несколько минут и — если в этом есть необходимость — выдана в готовом виде. Затем с помощью элементарных операций (например, проведение линий с использованием светового карандаша) конструктор добавляет те специфические особенности, которых нет в памяти ЭВМ. После ввода технических данных для процесса изготовления (сведения о выбранном материале и т. п.) ЭВМ автоматически вычисляет необходимые величины, например массу, объем и момент инерции. Точно так же ЭВМ вычисляет необходимые данные для изготовления детали на станке ЧПУ. Комплексные проблемы организации труда, возникающие в гибкой производственной системе, в значительной степени могут быть решены при помощи подобных автоматизированных рабочих мест технологов. Найденные при помощи ЭВМ решения помогают эффективному взаимодействию всех элементов гибкой производственной системы — станков, промышленных роботов, магазинов, транспортирующих систем и т. п., — которые в свою очередь частично управляются собственными ЭВМ. Таким образом в рамках гибкой производственной системы возникает иерархическая система обработки информации, в которой ЭВМ принимают решения о том, где, когда и что должно производиться.
Разнообразные промышленные роботы, рабочие места для конструкторов, оснащенные ЭВМ и дисплеями, проектирование, технология и процесс производства, автоматизированные блоки производственного и монтажного процессов гибкого применения, системы по резервированию места для проезда и автоматы для продажи билетов на транспорте, современное оборудование для сберегательных касс и банков — все эти устройства и системы немыслимы без микроэлектроники, без информационной техники и переработки информации. Во всех сферах общественной жизни, не только в промышленности объем применения микроэлектроники постоянно растет. По оценкам экспертов, к 2000 г. он увеличится по меньшей мере в 3 раза по сравнению с современным уровнем. И если раньше промышленный уровень страны определялся количеством стали на душу населения, то теперь он зависит и от количества применяемой микроэлектроники.
На пути к созданию автоматизированных предприятий
Промышленные роботы — это функциональные элементы производства, которые конструируются и создаются человеком на основе все более глубокого понимания законов природы. Их применение идет по трем основным направлениям — загрузочные роботы для манипулирования с обрабатываемыми деталями, укладка в штабеля и размещения в магазинах, а также для транспортирования и упаковки; роботы для манипулирования с инструментом (сварки, шихтования, пескоструйной очистки, удаления жировых загрязнений, монтажных работ, процесса литья и прочих подобных технологических процессов); монтажные роботы на сенсорах для сортировки изделий и деталей и для их точной компоновки.
Промышленная робототехника помогает дальнейшему развитию механизации и автоматизации производственных процессов на все более высоком уровне. Чем лучше средства автоматизации и чем их больше, тем выше качество продукции. Но прежде чем включать промышленную робототехнику в уже имеющиеся машинные системы, следует подумать, будет ли такое интегрирование эффективным. Зачастую выясняется, что необходимы новые решения, новые разработки для производственных участков или отдельных производственных линий предприятий.
Перед стартом
Правильность использования промышленной робототехники в значительной степени зависит от качества подготовительных операций. Любой процесс, в котором технологические устройства загружаются человеком или человек обслуживает механический инструмент с энергоприводом, необходимо серьезно проанализировать, чтобы определить, можно ли поручить выполнение данных задач промышленному роботу.
Основная область применения роботов, например, в металлообрабатывающей промышленности — технологические узлы и производственные системы. На схеме показано применение промышленного робота в рамках технологического узла. Здесь речь идет о принципиальном решении с использованием круговых структур и двух горизонтальных фрезеровочных центров, обслуживаемых роботом. Наружная заслонка каждого станка автоматически открывается и закрывается синхронно с движениями робота. Наружные и внутренние защитные приспособления следят за тем, чтобы посторонние лица не попадали в зону действия автоматического комплекса, чтобы не происходило выключение и чтобы при переоснастке одной машины не работала другая. Каждая машина имеет два магазина для деталей, обслуживаемые роботом, что позволяет проводить фрезерование деталей с различным временем обработки, а следовательно, приводит к увеличению возможностей машины и одновременно улучшает использование данного производственного участка.
