Роботика и интелигентни машини

Металообработващите машини, основен компонент на всяка производствена платформа, еволюират от ръчно управляемо оборудване в комплексни системи с цифрово-програмно управление (ЦПУ). Машините с ЦПУ стават все по-интелигентни и автономни в качеството им на базова градивна единица и на интелигентните производствени системи, изграждани посредством технологии като роботика, изкуствен интелект (AI, ИИ) и машинно обучение на базата на концепциите за Industry 4.0, Индустриален интернет на нещата (IoT), фабрика на бъдещето и др.

В практиката днес навлиза ново поколение металообработващи машини, вдъхновено от напредъка в областта на информационно-комуникационните технологии (ИКТ), кибер-физичните системи (CPS) и IoT. Наречена условно “Металообработващи машини 4.0”, тази иновативна генерация високотехнологично оборудване е базирана на интеграцията между машините, обработващите процеси, технологиите за облачни и периферни изчисления и мрежовите връзки. Чрез тази интеграция вградените компютърни системи и мрежи могат да наблюдават и управляват процесите на обработка и да получават обратна връзка от оборудването.

Металообработващи машини 4.0

Развитието на технологиите при металорежещите машини от края на 19 век до наши дни до голяма степен е отражение на индустриалната революция. Машините – фундаменталните инструменти на модерното производство, отдавна заемат емблематична позиция в индустриалната модернизация. В контекста на нарастващата дигитализация и ключовата роля, която изпълняват в нея металообработващите машини, е явна потребността от развитието им до ново ниво, което да съответства на изискванията на концепцията за Industry 4.0 и интелигентно производство. Подобно на индустриалната революция, металообработващите машини също са преминали през три етапа на технологична еволюция в миналото.

Епохата на Четвъртата индустриална революция задава визията за Machine Tool 4.0 (MT 4.0) като нов производствен стандарт в металорязането и металообработката. Непрестанните усилия да се направят машините по-бързи, точни, надеждни, гъвкави и безопасни са основен двигател на този технологичен напредък. Съвременното оборудване е по-икономично и в пъти по-ресурсноефективно от предишните поколения.

Обработващите центри са сред сегментите с постоянно нарастваща функционалност. Развитието на технологиите за изработка на компоненти за металообработващите машини (например лагери, шпинделни блокове, блокове за управление и направляващи) също е допринесло за непрекъснатото функционално усъвършенстване на металообработващите машини.

Паралелно с това, с навлизането в ерата на Industry 4.0 възниква и спешната необходимост от надграждане на съществуващите машини с ЦПУ с възможности за по-високо ниво на свързаност, интелигентност и автономност. Концепцията Machine Tool 4.0 дефинира ново поколение металообработващи машини, които са по-умни, по-свързани и достъпни, по-адаптивни и автономни. Поколението MT 4.0 предполага широко приложение на кибер-физични системи, IoT и облачни технологии в машините с ЦПУ. Така става възможна вертикалната и хоризонтална интеграция на производствените системи. Машините вече не могат да съществуват като изолирана част от производственото оборудване, те се превръщат в доставчици на услуги и решения.

Кибер-физични металообработващи машини

Базирано на последните достижения в областта на ИКТ, CPS, IoT и облачната компютъризация, в индустрията се налага ново поколение машини – т. нар. кибер-физични металообработващи машини (Cyber-Physical Machine Tools, CPMT). Тази обещаваща тенденция на технологично развитие в ерата на MT 4.0 представлява прилагане на CPS парадигмата в производствената среда.

Моделът CPMT споделя общите характеристики на типичните CPS системи, включително мрежова свързаност, адаптивност, предсказуемост, интелигентност, като ги съчетава с възможности за обратна връзка в реално време в рамките на работния цикъл. Данните в реално време, генерирани от металообработващите машини и процеси, се събират с помощта на различни типове сензори, устройства и камери. Заедно с обратната връзка от ЦПУ контролера, тази информация в реално време от физическия свят се прехвърля в киберпространството чрез мрежова архитектура, за да се изгради т. нар. кибер- или дигитален/цифров близнак (Digital/Cyber Twin) на металообработващата машина (Machine Tool Cyber Twin, MTCT).

MTCT, в ролята си на дигитална абстракция на физическата машина, разполага с широк набор от възможности за изчисления и вземане на решения, осъществяване на мониторинг и управление на физическите компоненти и процеси, както и на изпращане на данните към облачен сървър за по-нататъшен анализ. Моделът CPMT се състои от четири основни компонента: металообработваща машина с ЦПУ, устройства за събиране на данни, цифров близнак и интелигентни интерфейси човек-машина (HMI).

Машинен интелект

Металообработващите машини от ново поколение разполагат с капацитет да се самовъзстановяват, докато процесът на механична обработка се самоусъвършенства и холистично се оптимизира, конфигурира и управлява. Това се дължи на все по-голямата автономия на машините, които в наши дни могат самостоятелно и точно да идентифицират различни проблеми и смущения в реално време, изготвяйки изводи и анализи, на които в миналото са били способни само най-висококвалифицираните оператори.

Модерните машини могат да вземат собствени решения по отношение степента на възстановяване и метода за неговото осъществяване. Това им позволява (в съответствие с присъщата им автономност) ефективно да увеличават своята прецизност, да елиминират собствените си неизправности, да предотвратяват състояния на отказ и да оптимизират консумацията си на енергия.

Интелигентните металообработващи машини извършват непрекъснато оценяване на статуса си и състоянието на работните процеси и интегрират високо ниво на информационни технологии и интелигентност. Тази машинна интелигентност се реализира на базата на цифрови модели, виртуализация и технологии за ефективно управление в реално време. Разработването на интелигентни металообработващи машини се основава до голяма степен именно на тяхната нарастваща автономност и висока степен на организираност. Тези принципи изискват и все по-висока ефективност, по-добра способност за справяне със смущенията и противодействие на техните последствия, както и адаптивна стратегия за самооптимизиране на управлението.

Технологичната гъвкавост на съвременните металообработващи машини се изразява във възможностите за многозадачност, хибридност и реконфигурируемост. Машините днес се проектират все повече на базата на знания за структурата и характера на производствените процеси и технология за виртуализация на дизайна, в комбинация с възможности за самодиагностика и мониторинг на машинния статус в реално време.

Комуникацията между системата за управление на металорежещата машина и околната среда се основава на най-новите достижения в стандартите за трансфер и обработка на данни, последователно съчетани с функциите за контрол на експлоатационните свойства в реално време и работата на CAD/CAM системите.
Създадени са множество концепции за интегриране на изкуствен интелект в металообработващите машини и цялостните производствени системи. Те често са основани на модели на интелигентност, срещани в природата. Така се обособяват бионични, фрактални и холонични системи, нервни, агентни и смесени системи за изкуствен интелект, оптимизиращи управлението на модерното високотехнологично оборудване.

Интелигентни металообработващи машини

Интелигентните машини се разглеждат като интеграция на обекти, които също са плод на интеграция, но могат да бъдат и обекти на коопериране, ако се разработят интелигентни технологии за еволюция на знанието. Що се отнася до информацията, която може да се обменя чрез Machine-to-Machine (M2M) среда, машинно-зависимите и машинно-независимите знания са двата основни типа.

Информацията може да даде възможност за развитие на познанията чрез обмен на данни в реално време с производители и търговци на компютърна техника, инструменти и материали, дистрибутори на отдалечени услуги и доставчици на технологии за е-машини. Интелигентните машини, в които производствената M2M система се развива на база оптимизиране на знанието, имат три основни характеристики: сетивна функция, комуникационна функция и функция на разсъжденията.
Изкуственият интелект, интегриран в тези машини, се състои основно от алгоритми, които автоматично се самооптимизират, докато протичат – процес, известен като машинно самообучение. Тази технология дава мощни резултати, които революционизират света на металообработката. Сред вълнуващите приложения на изкуствения интелект в производството са именно металообработващите машини с ЦПУ.

С развитието на технологията е вероятно ИИ да еволюира достатъчно, за да позволи свързване със софтуера за проектиране и автоматично да прави конструктивни промени в дизайна с цел постигане на по-добри резултати. Генеративният дизайн е итеративен процес за проектиране, който автоматично оптимизира проектите, като софтуерът се свързва директно с технологиите за адитивно (3D печат) или субтрактивно производство (машинна обработка с ЦПУ). Бъдещето на металорязането с ЦПУ със сигурност ще бъде много по-обвързано с целия производствен процес чрез изчислителни облаци, ИИ, самодиагностика и инструменти за автоматична корекция на грешки.

Роля на средствата за автоматизация

В съвременното производство металообработващите машини и автоматизацията вървят ръка за ръка. В силно конкурентната производствена среда качеството е основен и неизменен стандарт, а производствените предприятия често печелят или губят договори въз основа на оферти за изработка на детайли, които варират в границите на десети от цента. Естествено, обещанието за постигане на рентабилни и последователни резултати от машинната обработка чрез внедряването на роботика и автоматизация е привлекателно както за големите металообработващи предприятия, така и за по-малките цехове.

Средства за автоматизация могат да бъдат интегрирани в металообработващите машини по много начини в зависимост от мащаба и бюджета. Един цех може да започне с инвестиции в базова автоматизация, например прътоподаващо устройство за струг, а в бъдеще да стигне до напълно автоматизирана клетка, която обработва даден детайл от начало до край. Автоматизацията може да включва роботи, които зареждат и разтоварват машините, или портални системи, свободностоящи или монтирани към металообработващата машина.

Посредством конвейерни системи материалите могат да бъдат премествани от една до друга работна станция, а специални автоматизирани системи да позиционират и завъртат детайлите за следващата операция. Чрез автоматизиране на производственото съоръжение предприятието може да увеличи значително производствената ефективност, да съкрати циклите на обработка, да подобри качеството, да намали времетраенето на целия производствен процес, да създаде по-безопасни работни места и да повиши конкурентоспособността си.

Пазарът на технологии за интелигентното производство (включително IoT и изкуствен интелект) се очаква да нарасне значително в рамките на следващите 3 до 5 години, гласи актуален доклад на маркетинговата агенция TrendForce. Фирмата прогнозира, че този пазар ще надхвърли 200 млрд. щатски долара до края на 2019 г. и ще се увеличи до над 320 млрд. щ. д. до 2020 г. Това представлява прогнозен годишен темп на растеж от 12,5%. Международната федерация по роботика пък изчислява, че до края на 2019 г. броят на промишлените роботи в експлоатация в заводите по света ще нарасне до 2,6 милиона от едва 1,6 млн. през 2015 г.

Роботизирана машинна обработка

Конвенционалните техники за отстраняване на материал, като фрезоването с ЦПУ, могат да се справят с почти всяко предизвикателство при обработване. Основният недостатък при използването на конвенционални машини с ЦПУ обаче е ограничената работна зона и някои производствени ограничения при постигането на дадена форма на детайла. Конвенционалните фрезови машини например се характеризират с такава ограничена работна зона, което обикновено налага обработка на един детайл чрез множество операции или дори до разделяне на детайла на парчета и сглобяване след завършване. В по-екстремни приложения често се извършва модификация на самата машина, за да се приспособи за обработка на по-голям детайл.

От концептуална гледна точка промишлените роботи могат да осигурят отлична база за гъвкава и рентабилна машинна обработка. Един индустриален робот би могъл да задоволи нуждите на днешната индустрия и фабриките на бъдещето за ценова и времева ефективност. Роботизираните клетки, които се използват в процеси като заваряване и боравене с материали, от години дават отлични резултати. Такива клетки биха могли да обработват големи детайли с единни работни настройки поради по-обемните работни пространства.

Роботизираната система, благодарение на гъвкавата кинематика на роботизираните ръце, често е способна да манипулира с детайли със сложни форми, за обработката на които конвенционалната ЦПУ машина се нуждае от специални приспособления и техники за производство.

В допълнение се правят множество проучвания върху прилагането на роботи със съчленени сегменти (шарнирни рамена) в процеси на машинна обработка като полиране, шлайфане и почистване на мустаци. Статистическите данни показват също, че броят на роботизирани клетки в експлоатация постоянно се увеличава в световен мащаб. Прогнозите на експертите гласят, че пазарът на индустриални роботи ще продължи да нараства в бъдеще, а приложенията им в металообработката ще стават все повече.

Тенденции при роботизираните машини

Сред популярните тенденции в металообработката са системите за роботизирано обслужване на машините, които зареждат материали и заготовки и разтоварват готовите изделия. Сред водещите им приложения са шлайфането, струговането и фрезоването, леенето под налягане и др. Роботизираното обслужване може да се извърши в затворен цикъл безкраен брой пъти, ако се приеме, че роботът непрекъснато получава заготовки и машината произвежда годни и качествени детайли.

Популярна полза от тази технология при роботизираните металообработващи машини е намаляването на загубите на време чрез бързата размяна на готовия детайл със следващата заготовка. Независимо дали обслужва струг, друга обработваща машина, преса или формовъчно оборудване, роботът увеличава жизнения цикъл на машината и намалява разходите.

Днес повечето производствени операции са автоматизирани, но в много предприятия машините все още разчитат на оператора да свали готовия детайл и да зареди следващата заготовка. Машинното обслужване е идеална задача за съвременните роботи. С висока скорост, точност и повторяемост и с помощта на модерни системи за визуална инспекция и машинно зрение, роботите могат сами да избират следващия детайл от входния улей или конвейер и да направляват и асистират операцията.

В края на цикъла машинният контролер отваря вратата за достъп и подава сигнал за действие към робота. Роботизираните ръце с хващачи изваждат готовия детайл от патронника или фиксатора, поставят следващата заготовка и бързо се изтеглят от работната зона. След това машината затваря предпазната врата и възобновява обработката. Докато трае обработващият цикъл, роботът може да извършва вторични операции. Подрязването, отстраняването на мустаци и измерването са обичайни задачи, които се изпълняват, докато машината работи или преди поставянето на детайлите на палет или изходен конвейер.