Гибкие производственные системы 8.1.1. Жесткие и гибкие системы

Первые автоматизированные и автоматические системы позво­лили автоматизировать отдельные технологические операции на станках, затем появились станки-автоматы, работающие без уча­стия человека.

Объединение станков-автоматов, каждый из которых настроен на выполнение определенной операции, в группу с единой сис-

177

темой управления стало основой построения жестких автомати­ческих линий, составивших пер вый этап автоматизации..,

В такой линии станки располагаются по ходу т$хнологического процесса и связаны между собой единой транспортной системой, позволяющей передавать заготовки от одного автомата к другому.

По характеру движения заготовок вдоль линии жесткие.авто­матические линии можно подразделить на три типа: tN

•          синхронные, когда все станки работают в едином такте, а заготовки передаются от одного станка к другому с помощью жестких транспортных линий. Выход одного автомата из строя ос­танавливает всю линию;

•       асинхронные, когда все автоматы работают независимо'друг от друга по времени, имея в бункере определенней запас загото­вок или деталей, и обслуживаются гибкой транспортной систе­мой. В такой системе отказ одного автомата в течение определен­ного времени (обычно нескольких часов) не сказывается на рабо­те линии в целом;

•         роторные, в которых детали обрабатываются в процессе их перемещения от одной роторной машины к другой.

Автоматические линии позволяют освободить рабочего qt мо­нотонного физического труда, повысить производительность, снизить себестоимость и повысить качество выпускаемой продук­ции.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                ^;;

В то же время жесткие автоматические линии работают с жест­кой логикой и настроены на выпуск продукции одной номенкла­туры.

Малейшие изменения в конструкции детали или технологи­ческом процессе требуют длительной остановки оборудования, переналадки и его, и системы управления.

Новый виток развития автоматизации стал возможным после внедрения электронно-вычислительной техники, особенно управ­ляющих ЭВМ. Это, в свою очередь, способствовало созданию обо­рудования с числовым программным управлением (ЧПУ).

Все технологические операции по изготовлению детали на стан­ке сводятся к перемещению рабочих органов на определенное расстояние, в определенном направлении и с определенной ско­ростью.

Это значит, что каждый шаг при обработке детали можно за­кодировать и выразить все операции в виде чисел, следующих друг за другом. Если эти числа занести в память станка (на перфолен­ту, перфокарту, магнитные носители) в виде программы (поэто­му такое название — «числовое программное управление»), то считывающее устройство по командам программоносителя смо­жет управлять рабочими органами станка. При этом последова­тельность чисел преобразуется в электрические сигналы, которые рабочие органы отрабатывают, перемещаясь с помощью исполг

178

^х

нительных механизмов на определенное расстояние, с опреде­ленной скоростью и в определенном направлении. В сочетании с ЭВМ станки с ЧПУ обеспечивают:

•      оптимальные режимы во время обработки детали;

•   максимальные скорости перемещения рабочих органов во вре­мя холостого хода.

Именно внедрение оборудования с числовым программным управлением дало возможность отказаться (за пределами массо­вого производства) от жестких автоматических линий, направ­ленных на выпуск изделий и продукции одной номенклатуры, и перейти к следующему уровню автоматизации.

Второй этап автоматизации — создание перепрограммируемо­го оборудования — позволил наладить массовый выпуск продук­ции широкой номенклатуры, в том числе небольшими партиями в мелкосерийном производстве. Это стало возможным благодаря появлению гибких производственных систем (ГПС) разных уров­ней — от групп, состоящих из нескольких единиц технологиче­ского оборудования, до полностью автоматизированных произ­водств.

Основной единицей ГПС можно считать многооперационный станок с ЧПУ, в котором переналадка на выпуск нового изделия сводится в основном к перепрограммированию решаемых задач. Под управлением микроЭВМ такие станки автоматически выпол­няют операции технологического процесса, автономно осуществ­ляя многократные технологические циклы. Они снабжаются сис­темами автоматического контроля и измерения параметров изде­лия в процессе обработки, устройствами диагностирования со­стояния оборудования, могут включать в себя устройства для за­мены технологической оснастки и т.д. Такие единицы технологи­ческого оборудования получили название гибких производствен­ных модулей (ГПМ).

С их появлением стало возможным на одном и том же оборудо­вании выпускать сотни новых образцов продукции, регулярно модернизировать ее и улучшать качество.

Гибкие производственные модули могут работать не только автономно, но и во взаимодействии с другим технологическим оборудованием. Группа ГПМ, объединенных автоматизированной транспортно-складской системой и работающих под управлением центральной ЭВМ, образует гибкую автоматизированную линию. Несколько таких линий, объединенных общей системой управле­ния, представляют гибкий автоматизированный участок, или гиб­кий автоматизированный цех.

Если в общий процесс производства продукции включить и такие этапы, как автоматизированное проектирование продукции, технологии ее изготовления и технологической подготовки про­изводства, что возможно с помощью современных ЭВМ, то по-

179

лучится современное высокоэффективное гибкое автоматизиро­ванное производство (Г/4/7).

Гибкое автоматизированное производство обеспечивает:

•           возможность быстрого изменения программы производства изделий;

•       сочетание высокой производительности с малыми размера­ми партий изделий и коротким периодом освоения их производ­ства;

•      резкое сокращение себестоимости продукции;

•          значительное сокращение численности работающих, вплоть до внедрения безлюдных производств;

•      повышение производительности труда в 2 — 3 раза за счет не­прерывной круглосуточной и круглогодичной работы оборудова­ния;

•      повышение качества продукции.

Структура ГАП

Гибкое автоматизированное производство состоит из двух ос­новных частей:

1)                     гибкой производственной системы, обеспечивающей сам процесс производства продукции;

2)                   систем автоматизированного проектирования (САПР), ав­томатизированной системы научных исследований (АСНИ), ав­томатизированной системы технологической подготовки произ­водства (АСТПП). Все эти системы представляют собой автомати­зированные рабочие места (АРМ), работающие под управлением специальных программ и включаемые в единую вычислительную систему.

В свою очередь, ГПС, обеспечивающая процесс производства, состоит из трех основных систем: технологической, транспортно-загрузочной и управления.

Технологическая система содержит технологическое оборудова­ние, например в виде многооперационных станков с ЧПУ, вклю­ченных в единый комплекс, управляемый ЭВМ.

Транспортно-загрузочная система включает в себя вспомогатель­ное оборудование, предназначенное для выполнения работ по транспортированию материалов, заготовок, инструмента, гото­вой продукции, отходов производства и складированию. Она со­стоит из типовых автоматических модулей: транспортных, склад­ских, контроля качества и др.

Система управления ГПС включает в себя центральную управля­ющую ЭВМ и микроЭВМ каждого станка, которые содержат про­граммы обработки тех или иных деталей. Центральная ЭВМ следит за прохождением каждой партии деталей, распределяет партии де-

180

талей по станкам, ведет диагностику и учет состояния каждого стан­ка, дает команду на смену номенклатуры изделий и т.д.

Структурная схема ГАП представлена на рис. 8.1. В работе ГАП принимают участие высококвалифицированные специалисты и рабочие: инженеры, научные работники, программисты, обслу­живающие и ремонтные бригады, диспетчеры.

Автоматизированное рабочее место каждого специалиста пред­ставляет собой персональную ЭВМ, программное обеспечение которой ориентировано на область деятельности данного специа­листа. Все АРМ объединены с центральной ЭВМ в единую вычис­лительную сеть.

Центральная ЭВМ собирает информацию с АРМ научного ра­ботника, конструктора, технолога, организационного планиро­вания и в виде соответствующих данных отправляет в автоматизи­рованную систему управления технологическим процессом.

АСУ ТП управляет технологическим оборудованием и одно­временно всеми вспомогательными системами: автоматическим

181

складом материалов (или заготовок, или комплектующих), авто,-матической транспортной системой доставки материалов к тех­нологическому оборудованию, автоматическим складом инстру­мента и автоматической системой его доставки к технологическо­му оборудованию, автоматической транспортной, системой дос­тавки готовой продукции и складом готовой продукции, автома­тической системой контроля готовой продукции, непрерывно контролирующей точность и качество ее изготовления.

Таким образом, в единую систему включена как разработка всего комплекса документов на продукцию, так и ее изготовле­ние и складирование.

8.2. Роботы и робототехнические системы

Широкое применение в ГПС нашли роботы. Роботы, использу­емые в промышленности, называются промышленными роботами.

Слово «робот» появилось в начале XX в. и происходит от чеш­ского слова robota, что переводится как тяжелый подневольный труд. Робота можно определить как универсальный механизм, спо­собный выполнять физическую работу аналогично человеку. Имен­но стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею создания робота.

Робот — автоматический манипулятор, выполняющий рабо­чие операции со сложными пространственными перемещениями.

Универсальность (многофункциональность) роботов позволя­ет широко использовать их как в качестве основного технологи­ческого оборудования (операции сборки, сварочные и малярные работы), так и в качестве вспомогательного оборудования (в транс-портно-загрузочных системах, системах контроля и диагностики). При этом робот по своим возможностям намного превосходит человека. Он может работать в тяжелых, некомфортных, вредных или опасных условиях. Он превосходит человека по грузоподъем­ности, быстродействию, точности. Ему не нужны перерывы в ра­боте, отдых, отпуск и все то, что свойственно человеку как био­логическому организму.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  :

История роботов началась в Древнем Египте, где строились статуи богов с подвижными руками и головой. Еще в XII в. были созданы первые человекоподобные механические фигуры — анд­роиды, изображавшие слуг, музыкантов, писцов. Для приведения в движение их частей использовалась потенциальная энергия воды, пара или гирь. В середине XVII в. талантливый нижегородский ме­ханик-самоучка И.П.Кулибин разместил целый музыкальный те­атр-автомат в корпусе часов размером с гусиное яйцо. Эти часы до сих пор поражают воображение посетителей Государственного Эрмитажа. В XX в. в связи с развитием электроники появились

182

достаточно сложные роботы, управляемые голосом или по радио, которые двигались, садились, вставали и выполняли простые опе­рации.

Первые промышленные роботы появились на автомобилестро­ительных заводах США в 60-е гг. XX в. В 1975 г. в мире насчитыва­лось всего около 8 тыс. роботов. В 2005 г. их количество составляло уже 2,5 млн. Первое место в мире по производству и применению роботов занимает Япония. Далее следуют США, Италия, Фран­ция, Швеция. Первый отечественный телеуправляемый робот с очувствленным захватным устройством для глубоководных работ был создан в 1968 г. К роботам можно отнести и манипуляторы, выполняющие на расстоянии работы, опасные для человека. Это работа с ядерными, химическими или биологическими вещества­ми, подводные работы, работы в открытом космосе.

В 1985 г. парк промышленных роботов в России превышал 40 тыс. шт. и достигал 40% мирового парка. Однако в 90-е гг. XX в., к сожалению, плановые работы по развитию робототехники были остановлены, парк роботов сократился на порядок.

Сегодня роботы применяются практически во всех сферах че­ловеческой деятельности: в машиностроении, строительстве, сель­ском хозяйстве, медицине, науке, пищевой и легкой промыш­ленности. Лишь роботу под силу глубоководные работы в океане или работы в открытом космосе, в том числе на Луне и Марсе.

Системы и комплексы, включающие в себя роботы, называ­ются роботизированными, а системы и комплексы, в которых ро­боты выполняют основные технологические операции, — робо-тотехническими.

Робот состоит из двух основных систем:

•          исполнительной, включающей в себя манипуляторы и уст­ройства передвижения;

•       информационно-управляющей.

Основное применение нашли механические манипуляторы, вы­полняемые в виде кинематических пар с угловым и поступатель­ным движением, заканчивающиеся захватным устройством (ана­лог кисти человека) или специальным инструментом (например, для сварки или покраски). Как правило, они имеют от трех до шести степеней подвижности, что позволяет получить более слож­ные траектории движения и расширить возможности робота.

В качестве устройств передвижения в мобильных роботах на­шли применение традиционные транспортные средства, исполь­зующие электрическую, пневматическую и гидравлическую энер­гию, — колесные, гусеничные и шагающие. С одной стороны, они позволяют расширить рабочую зону, обслуживаемую робо­том, а с другой — позволяют создать роботы, предназначенные только для перемещения грузов, — робокары. Робокары, как пра­вило, не имеют манипуляторов и рассчитаны на работу со стаци-

183

жарными манипуляторами, расположенными на складах, и с сонтейнерами для отходов.

Информационно-управляющая система робота предназначена для обслуживания исполнительной системы. Она снабжена сенсорны­ми органами, предоставляющими информацию о внешней среде 1 положении робота в ней — не столкнуться бы с роботом-сосе-jom! Это органы технического зрения и различного рода измери-гели (температуры, положения в пространстве и т.д.), основу ко-горых составляют соответствующие датчики.

Особенно эффективна совместная работа роботов со станками; ЧПУ; при этом система ЧПУ станка и робота может быть об-цей.

Контрольные вопросы

1.                   В чем различие между жесткими и гибкими производственными:истемами?

2.              Назовите типы жестких автоматических линий. В чем особенность саждого типа?

3.                    Назовите задачи, решаемые гибким автоматизированным произ-юдством.

4.            Поясните структурную схему ГАП.

5.          Дайте определение робота и опишите его возможности.

6.              В чем различие между роботизированными и робототехническими сомплексами?

7.            Из каких основных систем состоит робот? Каково назначение каж-(ой системы?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.                   Белов М.П. Автоматизированный электропривод типовых произ­водственных механизмов и технологических комплексов: учебник / М. П. Белов, В.А. Новиков, Л. Н. Рассудов. — М.: Изд. центр «Академия», 2004. - 576 с.

2.                Белянин П. Н. Гибкие производственные системы: учеб, пособие / П.Н.Белянин, М.Ф. Идзон, А. С.Жогин. — М.: Машиностроение, 1988. — 256 с.

3.             Головенков С. Н. Основы автоматики и автоматического регулирова­ния станков с программным управлением: учебник / С. Н. Головенков, С. В.Сироткин. — М.: Машиностроение, 1988. — 288 с.

4.            Горошков Б. И. Автоматическое управление: учебник / Б. И. Горош­ков. — М.: Изд. центр «Академия», 2003. — 304 с.

5.           Гуревич Б. М. Справочник по электронике для молодого рабочего. — 4-е изд., перераб. и доп. / Б.М.Гуревич, Н.С.Иваненко. — М.: Высш. шк., 1987. - 272 с. •

6.          Давиденко К.Я. Технология программирования АСУ ТП / К.Я.Да-виденко. — М.: Энергоатомиздат, 1986. — 184 с.

7.              Илъяшенко Л. А. Электрооборудование промышленных установок с программируемым управлением: учеб, пособие / Л. А. Ильяшенко. — М.: Высш. шк., 1987. — 79с.

8.              Келим Ю. М. Типовые элементы систем автоматического управления: учеб, пособие / Ю. М. Келим. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. - 384 с.

9.                    Мини- и микроЭВМ в управлении промышленными объектами / [Л.Г.Филиппов, И.Р.Фрейдзон, А.Давидовичу и др.]; под ред. И.Р.Фрейдзо-на, Л. Г.Филиппова. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1984. — 336 с.

10.         Справочник проектировщика АСУ ТП / [Г. Л. Смилянский, Л. 3. Ам-линский, В.Я.Баранов и др.]; под ред. Г.Л.Смилянского. — М.: Маши­ностроение, 1983. — 527 с.

11.                  Ступин Ю.В. Методы автоматизации физических экспериментов и установок на основе ЭВМ / Ю.В.Ступин. — М.: Энергоатомиздат, 1983.-288с.

12.                Терган В. С. Основы автоматизации производства: учеб, пособие / В.С.Терган, И.Б.Андреев, Б.С.Либерман. — М.: Машиностроение, 1982.-270с.

13.                  Черпаков Б. И. Автоматизация и механизация производства: учеб, пособие / Б. И. Черпаков, Л.И.Вереина. — М.: Изд. центр «Академия», 2004. - 384 с.

14.                   Шандров Б. В. Автоматизация производства (металлообработка): учебник / Б. В. Шандров, А.А.Шапарин, А. Д.Чудаков. — М.: ИРПО: Изд. центр «Академия», 2002. — 256 с.

185

15.           Шишмарев В. Ю. Автоматизация технологических процессов: учеб, пособие / В. Ю. Шишмарев. — М.: Изд. центр «Академия», 2005. — 352 с.

16.              Шишмарев В. Ю. Автоматика: учебник / В. Ю. Шишмарев. — М.: Изд. центр «Академия», 2005. — 288 с.

17.                  Шишмарев В. Ю. Типовые элементы систем автоматического уп­равления: учебник / В. Ю. Шишмарев. — М.: Изд. центр «Академия», 2004. - 304 с.

18.                Юревич Е.И. Основы робототехники: учеб, пособие. — 2-е изд. / Е. И. Юревич. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 416 с.

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие................................................................................................. 3