На производстве

При многономенклатурном производстве переменных по технологической сложности изделий, для изготовления которых требуется значительное количество инструментов, ГПС, как правило, включает автоматизированные систему контроля, систему инструментального обеспечения АСИО, снабжающую инструментальные магазины станков необходимым инструментом из накопителя (склада) при смене изготовляемой детали и производящую замену изношенного или поломанного инструмента.

Большая номенклатура изготовляемых деталей и высокая отдача оборудования, включенного в ГПС, как правило, требуют оснащения автоматизированным складом (АС) заготовок и деталей, а также инструмента и оснастки (как технологической, так и контрольной), необходимых для бесперебойного функционирования ГПС.

Дальнейшим развитием ГПС для повышения надежности функционирования и осуществления своевременного обеспечения всеми элементами технологического процесса является включение в ее состав систем обеспечения функционирования (СОФ ГПС и ГПЯ), системы автоматизированного контроля (САК), автоматизированной системы удаления отходов (АСУО), а также включение ГПС в автоматизированную систему управления производством (АСУП).

Производственные новые возможности ГПС достигаются при интегрировании в системе их управления автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП), включающей соответствующие системы автоматизированного проектирования (САПР) - конструирования, технологии и т.п. В этом случае достигается высший — третий уровень автоматизации производства. Рост уровня автоматизации достигается значительным усложнением конструкции и системы обеспечения функционирования ГПС и ГПЯ, а значит, увеличением их стоимости. Поэтому задаваемый уровень автоматизации должен быть экономически обоснован.

На рис. 4.1 показаны основные структурные элементы, а на рис. 4.2. -технические возможности типовой ГПС высокого уровня автоматизации.

Рис. 4.1. Основные элементы гибкой производственной ячейки

Основные структурные элементы ГПЯ следующие: несколько ГПМ одинаковых или различных, обеспечивающих требуемую технологическую обработку заготовок; АТСС; АСИО; единая управляющая ЭВМ.

Рис. 4.2. Основные технические возможности типовой гибкой производственной ячейки (ГПЯ)

Основными техническими возможностями ГПЯ являются:

- производственная гибкость, заключающаяся в автоматическом (автоматизированном) переходе на изготовление любой освоенной детали в любой последовательности. В ГПЯ 2-го уровня автоматизации этот переход занимает минуты - время, необходимое для удаления грейфером из камеры станочного модуля детали и загрузки на стол ГПМ тем же грейфером спутника с новой заготовкой;

- структурная гибкость - способность каждого из станочных модулей функционировать при отказе другого, возможность проведения обработки на любом из однотипных ГПМ;

- реализация безлюдной технологии обработки, заключающаяся в автоматическом функционирований ГПЯ влечение определенного интервала времени без участия обслуживающего персонала ищи "при ограниченном его числе. Степень и продолжительность этой реализации определяется вместимостью элементов технологического процесса, качеством и степенью автоматизации функционирования устройств ГПЯ для диагностирования заготовок, инструмента, оборудования и других элементов ГПЯ в процессе работы.

Число и номенклатура систем в конкретной ГПС, зависят от организационной структуры производства, созданного на основе ГПС, и определяются техническими и экономическими требованиями, предъявляемыми к ней.

Приведенные стадии развития ГПС (см. рис. 4.2) свидетельствуют о высокой насыщенности ее достаточно сложной механикой и электроникой. Поэтому появление ГПС только в начале 80-х годов объясняется тем, что именно в это время сформировалась техническая база для ее создания, включающая три основные части: многоцелевые станки, оснащенные устройствами автоматической смены заготовок и инструмента; роботизированные технические транспортные средства и микроэлектронные системы управления, обладающие разветвленной гибкой структурой.

Современная техническая база ГПС и реализуемые на ее основе отмеченные выше технические возможности гибких структур производства определяют приведенные ниже особенности ГПС.

Благодаря производственной гибкости, достигаются:

- автоматический (автоматизированный) переход на выпуск новой продукции в кратчайшее время и с наименьшими затратами;

- повышение производительности труда рабочих-станочников благодаря росту коэффициента загрузки станков;

- обеспечение стабильности качества выпускаемых изделий в результате автоматизации всех элементов технологического процесса изготовления и проведения его без участия человека;

- снижение без потери производительности станков размера партии изготовляемых деталей до полумесячной или месячной программы с трех-, шестимесячной программы производства, характерной при использовании автономных станков с ЧПУ;

- возможность производить детали в таком количестве и тогда, когда они нужны при сборке, т.е. иметь минимальные запасы и заделы, максимальные оборотные средства;

- изменение конструкции изделия в процессе его выпуска.

В результате структурной гибкости достигается:

- обеспечение ритмичности производства благодаря работе основного количества технологического оборудования, несмотря на отказы отдельных его объектов;

- обеспечение требуемой пропорциональности производства вследствие автоматического (автоматизированного) подключения к изготовлению требуемого вида изделия различного количества единиц однотипного технологического оборудования.

В результате реализации безлюдной (малолюдной) технологии достигается:

- переход на работу в две-три смены, круглосуточно, а в перспективе и круглогодично без выходных и праздничных дней с высвобождением людей от работы в ночное время;

- улучшение условий труда, повышение культуры труда, поскольку оператор не связан с циклом работы станка;

- улучшение техники безопасности и сокращение травматизма;

- максимальный выпуск продукции с единицы технологического оборудования благодаря росту коэффициента его загрузки в результате сокращения потерь времени на переналадку при переходе на выпуск нового изделия и коэффициента сменности.

Области рационального применения ГПС - это мелкосерийное повторяющееся, средне- и крупносерийное производство. Применение ГПС в единичном и мелкосерийном неповторяющемся производстве возможно в особых случаях.

Главное преимущество ГПС это способность производить продукцию в кратчайшие сроки при минимальных затратах. ГПС позволяют реализовать методы автоматизации массового производства (непрерывность, ритмичность и пропорциональность) в условиях серийного производства. В серийном производстве в настоящее время изготовляют 75...80% общего выпуска продукции машиностроения. В ГПС при автоматизированной переналадке станка на изготовление другой детали коэффициент загрузки станков, характеризующий машинное время, в течение которого на станке непосредственно изготовляется деталь, составляет 0,85...0,90 (коэффициент загрузки не достигает 1,0, так как 10...15% времени по действующим нормативам эксплуатации отводится на ремонтные и профилактические работы), в то время как на автономно работающих станках с ЧПУ он со­ставляет 0,4...0,6.

Несмотря на меры, принятые для использования станка с ЧПУ в две-три смены, практически средний коэффициент сменности их работы составляет 1,3...1,6, в то время как в ГПС он поднимается до 2,5...2,8 при реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки, поскольку производственный и обслуживающий персонал работает главным образом в первую, удобную для работы человека смену, а во вторую и третью смены станочные модули обслуживаются ограниченным числом персонала или работают без его участия.

Сравнение значений коэффициентов загрузки и сменности станков с ЧПУ при их автономном использовании и их значений при автоматизированной переналадке и реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки показывает возможность в последнем случае повышения отдачи станочных модулей относительно автономно эксплуатируемых станков с ЧПУ в 2...4 раза. В этом основной смысл соз­дания ГПС, получивших признание в 80-х годах. В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменения спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не нахо­дящей спроса продукции и бесполезного расходования ресурсов.

Рис. 4.4. Гибкая ячейка с автоматической переналадкой основных и вспомогательных технологических системм

Отмеченные технические возможности ГПЯ с автоматической переналадкой при переходе на изготовление нового из освоенных уже изделий (2-й уровень развития автоматизации) иллюстрирует первая разработанная в нашей стране национальным институтом авиационной технологии (НИАТ) ГПЯ АЛП-3-1, внедренная на Московском машиностроительном заводе в 1980 г. В состав АЛП-3-1 входили два ГПМ СМ400Ф4.5 (рис. 4.5, 4.6.), созданные путем преобразования станков с ЧПУ в ГПМ.

Конструктивные изменения, внесенные в многоцелевые станки с ЧПУ при преобразовании их в ГПМ, показаны на рис. 4.3. Шестикоординатный станок СМ400Ф4.5 средних габаритов имеет три линейных координаты перемещения - две круговые и одну плансуппортную (координата U), которые управляются по числовой программе (см. рис. 4.5).

Он предназначен для точной обработки внутренних фасонных поверхностей, расположенных под произвольными углами, стол станка оснащен устройством 3 (рис. 4.6) приемки спутника, а рабочая зона станка закрыта камерой 2, предохраняющей от разбрасывания стружки, разбрызгивания СОЖ и направляющей стружку и СОЖ в отводящий конвейер 1. Станок оборудован устройством 5 автоматической подачи заготовки на стол станка на спутнике и отвода со стола спутника с деталью. Предусмотрено устройство 4 автоматической подачи инструмента в магазин станка из внешнего накопителя инструментов.

Система обеспечения функционирования ГАУ АЛП-3-1 приведена на рис. 4.7. С центральной ЭВМ (СМ-2М) непосредственно связано большое число объектов управления, в том числе: 12 устройств ЧПУ станками, штабелерами и автооператорами; 12 цикловых систем управления агрегатами загрузки спутников; две цикловые системы управления инструментальными подвижными кассетами; 31 датчик считывания кода инструмента и 12 датчиков считывания кода спутников; 18 видеотерминалов; один цветной графический дисплей для показа диспетчеру мнемосхемы (в динамике) ГАУ; ряд устройств вывода на печать.

Рис. 4.7. Система обеспечения функционирования ГАУ мод. АЛП-3-2

На рисунке 4.7. обозначено: I - центральный пульт управления; II - АТСС, штабелеры; III - АСИО, автооператоры IV - позиция загрузки инструмента; V - датчики кода в накопителе инструмента; 1 - внешняя память (10Мбайт); 2 - УВКС СМ-2М К 125 А; 3 - мнемосхема; 4 - протокол работы; 5 - справочная информация; 6 - выполнение сменного задания; 7 - определение состояния устройств; 8 - ввод директив, вывод справочной информации; 9 - Н55-2Л УЧПУ; 10 - директивы и сообщения; 11- чертеж установки или контроля заготовки, детали; 12 - инструментальная подвижная кассета № 1; 13 - то же, № 2; 14 - датчик кода спутника на входе агрегата загрузки спутников; 15 - агрегат загрузки спутников; 16 - датчик кода спутника на входе АЗС; 17 - датчик кода инструмента в падающем гнезде; 18 - датчик кода инструмента в цепи магазина; 19 - многоцелевой станок; 20 - директивы и сообщения при запуске.

Для резервирования надежности эксплуатации ГАУ, возможности проведения технического обслуживания УВК при круглосуточной работе технологического оборудования параллельно включены две ЭВМ СМ-2М. Основные технические возможности ГАУ АЛП-3-2 как гибкой производственной системы соответствуют типовым ГПЯ АЛП-3-1 и обеспечивают производственную гибкость ГАУ, структурную гибкость и возможность реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки.

Управление от ЭВМ работой всего оборудования ГАУ и наличие в ЭВМ полной модели участка, работающей в динамике, контролирующей в каждый момент времени фактическое состояние оборудования и оснастки (инструмента, спутников), позволяют реализовать структурную гибкость участка, поскольку изготовление детали может быть без потерь времени передано на любой из однотипных ГПМ участка. Кроме того, возможно оперативное вмешательство персонала участка в процесс обработки: запуск в изготов­ление приоритетной детали, изменение размера партии деталей, введение коррекции на размеры обрабатываемых поверхностей, автоматическое прерывание процесса обработки с выводом детали на позицию контроля для проверки. Агрегаты загрузки станков АЗСт оборудованы на выходе моечными камерами.

Описанное выше прямое управление от ЦЭВМ позволяет иметь неограниченного объема программу обработки, а индивидуальная подача инструментов снимает ограничения на число используемого инструмента, поскольку используются емкости как инструментальных магазинов ГПМ, так и накопителя инструментов на АСИО. Замена изношенного и сломанного инструмента осуществляется оператором загрузки инструмента ОЗИ с помощью автооператора РА-2 и агрегата загрузки инструмента АЗИ из ав­томатизированного склада инструментов АСкИ. Подача к ГПМ смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) на обрабатываемую заготовку и ее регулирование осуществляются автоматически по командам от ЭВМ с помощью запорно-регулирующей арматуры от единой насосной установки с отстойником НУиО, расположенным в подвальном помещении. Транспортирование стружки от ГПМ в НУиО выполняется системой гидравлического смыва по желобу (показан штриховой линией), расположенному под полом, или подобными другими средствами.

Схема на рис. 4.8 и изложенное ее краткое описание указывают на функционирование следующих потоков основных составляющих технологического процесса обработки в ГАУ 2-го уровня автоматизации: заготовок и деталей в системе АТСС по маршруту АСкЗ«АЗСт; режущего инструмента в системе АСИО по маршруту АСкИ«МИ; заготовок и деталей в системе САК по маршруту АЗСт«К; СОЖ и стружки в системе АСУО по маршруту НУиР«ГПМ; команд управления технологическим оборудованием и технологическим процессом АСУТО и АСУТП по маршруту ЦЭВМ«УЧПУ, Т (видеотерминалы), УУ (устройства управления).

ГАУ с подобной структурой управления, реализующей прямое управление от ЦЭВМ работой всего оборудования участка дают возможность повысить производительность труда операторов благодаря следующим факторам: росту коэффициента загрузки станков в результате автоматизации переналадки оборудования (загрузки заготовками, инструментом, программами обработки и разгрузки деталей, ненужного инструмента); повышению отдачи оборудования в результате роста коэффициента сменности благодаря возможности реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки (за счет вместимости накопителей АТСС и АСИО, загружаемых в первую смену по суточной программе и автоматически питающих станки во вторую и третью смены).

Устройства ЧПУ, ГПМ, АТСС и АСИО при системе прямого управления от ЦЭВМ могут быть упрощенными, поскольку они выполняют обычные функции управления приводами, интерполяции перемещений по данным команд ЦЭВМ, задействование некоторых вспомогательных циклов и т.п. Однако на ЦЭВМ лежит высокая ответственность за результаты работы ГАУ, поскольку отказ ЭВМ ведет к простою всего участка. Это создало известный психологический барьер в распространении прямого управления от ЦЭВМ.

Рис. 4.8. Типовая схема ГАУ упрощенной конструкции 2-го уровня автоматизации

В целях упрощения структуры ЦЭВМ, уменьшения стоимости ГАУ при сохранении 2-го уровня автоматизации при допустимой степени изме­нения экономических показателей часто бывает возможно упростить ГАУ и изменить функционирование потоков основных составляющих технологического процесса (рис. 4.9). Главным образом, это целесообразно в серийном производстве деталей ограниченной номенклатуры и повышенной сложности при достаточно продолжительном времени обработки (свыше 15...30 мин). В этом случае ЦЭВМ хранит и выдает программы устройст­вам управления оборудованием и транспортом ГАУ периодически. Накопитель Н автоматизированного склада АСк хранит как заготовки, изготовленные детали, так и необходимый для обработки инструмент. Хранение спутников производится на отдельных позициях ожидания ПОСп, распо­ложенных вдоль пути движения робокара РК-1, который осуществляет двустороннюю подачу спутников: расположенным с одной стороны к гибким производственным модулям ГПМ-1, ГПМ-2 и т.д., агрегату мойки деталей AM и расположенных по другую сторону позициям ожидания спутников - ПОСп и агрегатом загрузки спутников. Единая автоматизирован­ная система удаления отходов (АСУО) заменена автономными насосными установками и отстойниками стружки НУиО у каждого из ГПМ. Уборка стружки, автоматически собираемой в тару у каждого ГПМ, обычно со­вершается оператором один раз в смену.

К устройствам ЧПУ, входящим в ГПМ и АТСС, предъявляются повышенные требования: у них должен быть значительный объем оперативной памяти; они должны диагностировать неисправности, иметь возможность отрабатывать и корректировать программы в диалоге программист-станок и др.

На рис. 4.9 показано системное окружение ГПС, соответствующее 3-му уровню автоматизации. В этой системе на базе единого банка данных (БД) и под действием автоматизированной системы управления про­изводством АСУП в непрерывном протоке функционирует комплекс пре­вращений технического задания ТЗ в готовое изделие. Вся система реализуется материально-техническим обеспечением МТО. Здесь информация о техническом задании, обрабатываясь системой автоматизированного проектирования САПР, превращается в комплекс документации, осуществленной в виде подпрограмм обработки, сборки, транспортирования отдельных деталей и узлов изготовленной продукции. Автоматизированная система технологической подготовки производства АСТПП обеспечивает подготовку технологического оборудования, оснастки, выбор режимов обработки, т.е. создание технологического прогресса для ГПС.

Рис. 4.9. Системное окружение гибкой производственной схемы

Автоматизированная подсистема управления технологическим процессом АСУТП, действующая в ГПС, выполняет непосредственно обработку, измерение, транспортирование изделий, контроль функционирования, технологического оборудования, смену инструмента, удаление стружки, упаковку и складирование продукции. Автоматизированная система АСИ обеспечивает требуемый объем испытаний изделий, например, на вибрацию, механические толчки, удары, воздействие внешней среды.

Рис. 4.10. Назначение, цели и функции автоматизированной

системы управления технологическим процессом

На рис. 4.10 показаны назначение, цели и функции АСУТП. В общем виде АСУТП предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человеко-машинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и отработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом с принятым критерием.