Комплексная автоматизация производства

Гибкие производственные системы

Введение

Гибкое автоматизированное производство (ГАП) – это качественно более совершенный этап в комплексной автоматизации производства. Благодаря быстрому научно-техническому прогрессу в таких областях, как автоматика, радиоэлектроника, вычислительная техника, информатика, появилась возможность рассматривать комплексную автоматизацию производственных процессов по-новому – как систему автоматизации, охватывающую все производство, от проектирования изделий и технологии до изготовления продукции и ее доставки потребителю. Эта тенденция ведет к созданию высокоавтоматизированных цехов и заводов-автоматов, главными особенностями которых являются широкое применение вычислительной техники практически во всех звеньях производства, высокий уровень автоматизации технологического оборудования на базе числового программного управления, устранение в значительной степени ручного труда за счет применения робототехники.

Учебный вопрос №1

Развитие ГАП началось в конце 60-х гг., когда прогресс вычислительной техники и средств автоматизации технологических процессов достиг такого уровня, что в промышленно развитых странах был поставлен вопрос о крупномасштабной автоматизации на основе ЭВМ. Однако в то время нельзя было точно ответить, где именно проявится наибольший эффект от внедрения новых технических средств – в технологии или в областях, связанных с организацией технологии и производства (исследования, проектирование, конструирование, организационное управление). Поэтому в 70-х гг. достаточно автономно стали развиваться главным образом две сферы (рис.3.1): автоматизация обработки информации – автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР); автоматизация технологии производства – технологическое оборудование с числовым программным управлением от ЭВМ (СЧПУ), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), промышленные роботы (ПР).

Хронологически развитие ГАП делится на несколько периодов (рис.30):

I период (60…70-е гг.) – разработка и проверка базисных принципов создания технологии будущего;

II период (80-е гг.) – разработка и создание элементной техники и технологии;

Продуктом I периода явились такие новинки, как промышленный робот, обрабатывающий центр, микропроцессор, автоматизированное рабочее место проектировщика (АРМ) и другие достижения.

II период характеризуется первыми попытками реализовать методологию локально-комплексной автоматизации производства. Так возникли робототехнические комплексы (РТК), гибкие модули, линии и участки. В экспериментальном порядке появились гибкие цеховые структуры. С середины 80-х гг. ХХ в. обобщающим термином гибкого автоматизированного производства является термин «гибкая автоматизированная система» (ГПС).

В III периоде начнется расширяющееся появление заводов-автоматов с гибкой технологией и высоким уровнем машинного интеллекта техники управления производством.

Как видно из рис.3.3, основное машинное время оборудования для производства мелких партий деталей занимает всего 6% от общего времени загрузки производства, а доля вспомогательного времени в совокупности с потерями превышает 50…60%.

 

Рис. 30. Диаграмма распределения времени загрузки производства

 

Поэтому в дальнейшем основной упор был сделан на автоматизацию вспомогательных операций, обеспечение автоматического функционирования оборудования в вечерние и ночные смены, резкое сокращение времени переналадок, переоснащения, смены инструмента, автоматизацию управления материальными и информационными потоками.

Наибольшее распространение ГПС получили в механообработке, свойственной машиностроительным отраслям. Здесь сформировались типичные структуры – модули, объединяемые в линии или участки с помощью транспортно-складских систем. Состав модуля обычно включает обрабатывающий центр, накопитель палет или кассет и средства числового программного управления. Ниже приведены сравнительные данные по использованию ГПС в различных технологиях. Наиболее хорошо освоена металлообработка резанием и формовкой, в меньшей степени – сборочная технология:

- металлообработка резанием – 50%;

- металлообработка формовкой – 21%;

- сварка – 12%;

- сборка – 5%;

- остальные технологии – 12%.

Гораздо труднее с помощью ГПС осваиваются сборочные технологии. Это прежде всего обусловлено особенностями сборочных процессов:

– сложностью, разнообразием объектов сборки и необходимой для сборки оснастки;

– коротким циклом операций сборки (иногда доли секунд);

– нежесткостью или упругостью деталей;

– необходимостью в настройке, подгонке и учете малых допусков в сочленениях деталей.

Если в ГПС механообработки фокусирующим компонентом является обрабатывающий центр, то для сборочных ГПС большое значение имеют промышленные роботы, обеспечивающие универсальность и гибкость сборочного оборудования. Однако в сборке требуются роботы с развитой сенсорикой и достаточно высоким уровнем машинного интеллекта, что влияет на повышение уровня затрат при создании ГПС сборки. Поскольку роботы с интеллектными средствами управления еще не получили широкого распространения, то приходится резко повышать затраты на периферийное оборудование и оснастку, создавая условия для применения более простых роботов. При этом стоимость оснастки и периферии составляет до 70% от общей стоимости сборочного модуля.

На рис.31 показаны зоны наиболее эффективного применения разных видов автоматизации производства в зависимости от размеров партий однотипных деталей и разнообразия номенклатуры производимой продукции.

При больших размерах партий однотипных деталей выгодно использовать жесткие автоматические и роторные линии станков. В условиях индивидуального производства единичных изделий целесообразно использование универсального или уникального оборудования, обслуживаемого высококвалифицированным персоналом. Промежуточное положение между этими двумя видами производства занимают ГПС. Их выгодно использовать при размерах партий в несколько сотен штук и разнообразии номенклатуры от единиц до сотен разных деталей.

 

Рис.31. Области эффективного применения разных
видов автоматизации производства

 

Если сравнивать по себестоимости единицы продукции в зависимости от объема годового выпуска (рис.32), то гибкая автоматизация также целесообразна в диапазоне годового объема выпуска от десятков и сотен тысяч деталей до нескольких миллионов. Свыше нескольких миллионов выгодно применять жесткую автоматизацию, а при нескольких сотнях деталей в месяц целесообразен ручной труд.

Точные прогнозы развития ГПС затруднены из-за того, что часто в ГПС включают разные по масштабу системы. Число станков в ГПС может изменяться от двух до нескольких десятков, а стоимость ГПС соответственно колеблется от 0,5 до 50 млн долл.

Принципиально новые возможности повышения эффективности промышленного производства во всех его отраслях открываются при переходе к организации технологических процессов по принципам гибкого автоматизированного производства при создании гибких производственных систем.

Первое требование можно удовлетворить за счет повышения универсальности оборудования и соответствующих быстро переналаживаемых систем управления. Второе требование выполняется на основе комплексной автоматизации производства с применением программного управления и ЭВМ.

 

 

Рис.32. Зависимость себестоимости единицы продукции от объемов выпуска для ручного и автоматизированного труда

Учебный вопрос №2

В структуре гибких производственных систем различают:

· гибкие производственные модули (ГПМ), разрабатываемые специально или особенно при реконструкции производства на базе существующего металлообрабатывающего оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), оснащенные роботами, автозагрузочными устройствами и накопителями, устройствами автоматической смены инструмента;

· гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), комплектуемые на основе типовых ГПМ из станков типа обрабатывающий центр (многооперационных станков с ЧПУ), автоматических устройств подачи заготовок, автоматизированных агрегатов загрузки и транспортно-складской системы;

· гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и цехи (ГАЦ) как для основного производства, так и для осуществления технической подготовки производства;

· автоматизированную транспортно-складскую систему (АТСС), включающую устройства транспортировки и осуществляющую связь между автоматизированными складами, гибкими модулями, гибкими участками;

· комплексную автоматизированную систему управления (КАСУ), использующую мощное организационное, информационное, математическое и программное обеспечение для решения задач управления ГАП, включая АСУТП и автоматизированные системы управления производства (АСУП) нижнего уровня – планирования, диспетчирования, учета, различные расчеты, связанные с техническим обеспечением ГАП.

ГПС механической обработки разделяются на операционные и комплексные.

Операционные ГПС – ГПМ охватывают отдельные операции технических процессов (например, токарную обработку заготовок) и делятся на группы по видам технологических операций (токарной, фрезерной, шлифовальной и т.п.)

Комплексные ГПС – ГАЛ, ГАУ и ГАЦ подразделяются по виду изготовляемых изделий – производства валов, колец, корпусных деталей и т.п.

Организационно-экономические вопросы связаны с созданием гибкого производственного комплекса механической обработки как новой организационно-технической структуры и обеспечением заданных технико-экономических показателей ГПС за счет:

· внедрения эффективной системы календарного планирования и оперативно-диспетчерского управления на базе ЭВМ;

· внедрения системы стандартов, определяющих прохождение заказов и регламент эксплуатации оборудования;

· организаций инженерно-технических служб, обеспечивающих подготовку производства, техническое обслуживание оборудования, средств автоматизации и управления.

При этом существенно увеличивается роль содержания умственного труда (процент умственного труда) в различных видах производства: универсальное производство – 9%; гибкая производственная система – 42%; гибкое автоматизированное производство – 83%.

При переходе к ГПС резко (в два – три и более раз) сокращается численность работающих на производстве. Например, при внедрении гибкой автоматической линии, предназначенной для комплексной механической обработки 70 различных наименований корпусных деталей с габаритными размерами 250х250х250 мм общая численность работающих изменилась следующим образом: работа на универсальных станках – 115 чел.; работа на станках с ЧПУ – 70 чел.; ГАЛ механической обработки – 40 чел.

Работы этого направления обеспечивают создание определенной, хотя и весьма сложной, регламентирующей системы для конструкторов и технологов, которая служит базой для системы конструирования и технологической подготовки производства с помощью ЭВМ.

Рассмотрим оценку гибкости системы.

Понятие гибкости производственной системы является многокритериальным и неоднозначным. В зависимости от конкретно решаемых задач создания ГПС на первый план выдвигаются различные аспекты гибкости, например:

· машинная гибкость – простота перестройки технологического оборудования ГПС для производства заданного множества изделий;

· технологическая гибкость – возможность производить обработку изделий заданного множества различными способами;

· структурная гибкость – возможность расширения системы за счет введения новых технологических модулей;

· производственная гибкость – способность ГПС производить обработку заданного множества изделий при отказах некоторых технологических элементов;

· маршрутная гибкость – возможность при необходимости изменять порядок выполнения операций;

· гибкость по изделиям – способность быстрого переключения на выпуск новых изделий (хотя бы данного класса);

· гибкость по объему – способность ГПС функционировать при различных объемах производства.

Основными критериями для машиностроения можно считать структурную, технологическую и организационную формы гибкости.

Структурная гибкость имеет более общий смысл, чем указано выше и охватывает:

· свободу в выборе последовательности обработки изделий для существующих вариантов технологических процессов;

· возможность при отказе в любом технологическом модуле переходить для продолжения технологического процесса на аналогичный модуль;

· возможность модификации системы за счет введения дополнительных технологических модулей.

Технологическая гибкость определяет возможность выполнять на имеющемся оборудовании несколько технологических задач.

Организационная гибкость в значительной мере определяет структуру ГПС. Всегда существует некоторое противоречие между стремлением максимально загрузить оборудование и стремлением обеспечить минимальный производственный цикл. Стремление к сокращению производственного цикла связано с ориентированием ГПС «на изделие», что неизбежно приводит к нерациональному (по загрузке) использованию оборудования и трудовых ресурсов.

Учебный вопрос №3