Организация и эффективность гибких автоматизированных производственных систем

Организация и эффективность гибких автоматизированных производственных систем

Гибкость производства — это его способность производить широкую номенклатуру изделий и быстро и экономично осуществлять переход от выпуска одного к выпуску другого типа изделий.

В соответствии с этим гибкое производство должно обладать следующими тремя свойствами:

1. производить широкую номенклатуру изделий;
2. быстро и экономично переходить от выпуска одного к выпуску другого типа изделий в пределах установленной номенклатуры;
3. допускать изменения номенклатуры выпускаемых изделий без изменения его технологического оснащения.

Гибкое автоматическое производство (ГАП) — это интегрированное автоматическое производство широкой номенклатуры изделий, обладающее способностью автоматически переходить от выпуска одного к выпуску другого типа изделий в пределах установленной номенклатуры и допускающее изменение этой номенклатуры без изменения его технологического оснащения.

ГАП создаются на уровне участка, цеха и даже целого предприятия и должны обеспечить:

• сокращение цикла изготовления изделий, прежде всего, за счет уменьшения времени выполнения контрольных, транспортных и складских операций и межоперационных пролеживаний, составляющего в общем до 95% длительности цикла изготовления;
• повышение непрерывности производства и использования оборудования за счет организации работы во вторую и третью смены без участия рабочих и обслуживающего персонала;
• уменьшение тяжести и повышение производительности труда; при достаточно надежной работе оборудования и хорошей стойкости инструмента ГАП обеспечивает повышение производительности труда в 3—5 раз по сравнению с обычным производством;
• сокращение дефицита рабочей силы за счет применения безлюдной технологии и высвобождения при этом значительного числа рабочих.

ГАП реализуется с помощью производственных систем, обладающих свойствами гибкости и автоматичности функционирования.

Гибкая автоматическая производственная система (ГАПС) — это производственная система, реализующая гибкий автоматический процесс производства и представляющая собой взаимосогласованную совокупность станков с числовым программным управлением, промышленных роботов, автоматических транспортных средств, автоматических складов, центрального управляющего компьютера и обслуживающих все эти средства работников.

ГАПС включает следующие виды компонентов:

• Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) - это станки, имеющие встроенные программные устройства автоматического управления, программы работ которых составляются на основе чисел, получаемых непосредственно из чертежей деталей. Каждый станок с ЧПУ может обрабатывать широкую номенклатуру деталей при   ограниченном наборе технологических методов обработки.
• Промышленные роботы. Промышленный робот (ПР) — это машина-автомат, запрограммированная на выполнение вспомогательных и некоторых основных производственных операций. По назначению ПР делятся на:
• производственные, осуществляющие основные операции технологических процессов сварки, сборки, окраски и т. д.;
• транспортные, осуществляющие межоперационную передачу заготовок, деталей и изделий, автоматизированную загрузку и разгрузку различного оборудования,   складирование изделий и т. д.
• Автоматические транспортные средства. В качестве автоматических транспортных устройств используются: подвесные и напольные транспортеры; транспортные тележки, снабженные захватными устройствами и управляемые от магнитных шин, проложенных под полом в соответствии с траекторией транспортного пути, которые управляются от компьютера, имеют точность позиционирования - до 1 мм.
• Автоматические склады и накопители. Важной частью ГАПС является система хранения и автоматического распределения предметов производства. Эта система, в общем случае, включает:
• центральный склад (ЦС), предназначенный для обслуживания всей производственной системы;
• промежуточные накопители (ПН), каждый из которых предназначен для хранения и автоматического распределения совокупности предметов производства, достаточной для непрерывной работы одного или группы обслуживаемых этим накопителем станков.
• Центральный управляющий компьютер ГАПС. Важнейшим компонентом ГАПС, который интегрирует ее работу и превращает ее в единое целое, является центральный управляющий компьютер со своим оснащением. Он выполняет следующие функции:
• оперативное планирование работы всей ГАПС в соответствии с программой производства, задаваемой более высоким уровнем управления;
• хранение, поиск и передачу в локальные устройства управления соответствующих обрабатываемым деталям программ работы станков с ЧПУ;
• координацию работы всех компонентов ГАПС и оптимизацию режима ее работы;
• сбор информации и контроль всех находящихся в системе спутников с деталями во время их перемещения;
• управление движением спутников с деталями по предусмотренной технологии и оптимизацию загрузки станков;
• управление измерительными установками, измерение припусков и определение числа переходов при черновой обработке деталей;
• управление установками технического контроля и выдача информации о параметрах изделия;
• контроль и выдача информации о состоянии станков и других устройств системы; обнаружение ошибок и их оценка на всех рабочих позициях системы, недопущение аварийных ситуаций;
• подготовка и выдача документированной информации о результатах работы системы.
• Работники ГАПС. Создание ГАПС приводит к двум существенным следствиям: по сравнению с обычным производством в несколько раз сокращается необходимое число работников; изменяется характер труда работников.

При этом можно выделить следующие основные профессии работников ГАПС:

• операторы, наладчики, которые должны иметь достаточно высокую квалификацию для обслуживания сложного оборудования и его наладки;
• вспомогательные рабочие, осуществляющие подготовку деталей и инструмента для запуска в систему; требования к квалификации этих работников являются относительно невысокими;
• вспомогательные рабочие, осуществляющие уборку стружки и поддержание чистоты в помещениях; требования к квалификации этих работников являются весьма низкими; 
• технологи-программисты в том случае, если разработка программ станков с ЧПУ осуществляется непосредственно в рамках ГАПС; эти работники должны иметь наиболее высокую квалификацию и число их относительно невелико.

По содержанию реализуемого технологического процесса и виду производимых изделий можно выделить следующие виды ГАПС:

1. по механической обработке: призматических или/корпусных деталей, тел вращения, зубчатых колес и т. д.;
2. по изготовлению печатных плат;
3. по сборке: изделий машиностроения /подшипники, узлы и т. д.), механических приборов (часы/и т. п.), изделий радиоэлектронной аппаратуры.

В настоящее время наибольшее распространение получили ГАПС по механической обработке.

По величине системы и количеству имеющихся в ней станков все ГАПС можно разделить на следующие виды:

1. Гибкий автоматический модуль (ГАМ) — это ГАПС, содержащая от 1 до 3 станков с ЧПУ и внутренний накопитель, хранящий запас предметов производства не менее,  чем на 8 ч работы.

ГАМ обеспечивает безлюдную технологию в течение смены и поэтому должен иметь все устройства, которые гарантируют надежное протекание всего процесса и высокое качество изделий, а именно:

• накопитель заготовок достаточной емкости; автоматическую доставку деталей на рабочую позицию станков;
• автоматический зажим деталей на станке;
• полностью автоматический цикл обработки;
• автоматический контроль качества изделий измерениями в процессе обработки или на встроенной в модуль измерительной станции;
• накопители инструмента на всех станках;
• диагностическую систему наблюдения за износом или поломкой инструмента с подачей сигналов на коррекцию или замену;
• диагностическую систему наблюдения за функционированием станков, транспортной системы и системы управления.

ГАМ имеет предметную специализацию при достаточно широкой номенклатуре изделий и обслуживается одним оператором. ГАМ применяются как минимальные ГАПС, создаваемые на первых этапах внедрения ГАП в существующих производственных системах, и как типовой модуль, используемый в комбинации с другими модулями для создания более крупных ГАПС.

2. Гибкий автоматический участок (ГАУ) — это предметно или технологически специализированная ГАПС, состоящая либо из нескольких ГАМ, либо из 6—8 непосредственно объединенных в систему станков с ЧПУ, транспортно-складской системы и компьютера. По своим производственным возможностям ГАУ приблизительно эквивалентен обычному административно обособленному участку. При модульном построении ГАУ транспортно-складская система имеет несколько уровней обслуживания с различными промежуточными накопителями. Управление участком тоже строится по иерархическому принципу. Обслуживающий персонал требуется для периодического осмотра станков и вычислительной техники, для подготовки деталей и их установки на станки, для наблюдения за ходом рабочего процесса.
3. Гибкий автоматический цех (ГАЦ)  — это предметно специализированная ГАПС, состоящая либо из нескольких технологически или предметно специализированных ГАУ, либо из совокупности непосредственно объединенных в систему станков с ЧПУ и других необходимых компонентов.

По своим производственным возможностям ГАЦ приблизительно эквивалентен обычному цеху. Номенклатура обрабатываемых деталей относительно широка и почти не ограничена по малым структурным отклонениям. Ход рабочего процесса всей системы устанавливается произвольно, включая многочисленные вспомогательные и обслуживающие операции. Последовательность обхода станков оптимизируется с учетом технологических требований и загрузки станков. Операторы лишь периодически наблюдают за ходом работы системы, устраняют неисправности и поддерживают все устройства в требуемом состоянии.

4. Гибкий автоматический завод (ГАЗ) является высшей формой гибкой автоматизации производства. Ее создание должно быть основано на качественно новой концепции проектирования с учетом того, что управление оборудованием и его обслуживание будут возложены не на человека, а на машины. При этом оборудование ГАЗ должно обеспечить рациональное выполнение всех функций обработки, сборки, контроля и транспортировки изделий, а также его быструю переналадку на выпуск новой продукции. Оно должно обладать высокой универсальностью, взаимозаменяемостью и надежностью работы.

По виду систем управления все ГАПС можно разделить на ГАПС с прямым управлением станков от центрального компьютера и с комбинированным управлением, при котором станки с ЧПУ, роботы и складские системы имеют собственные микропроцессорные системы управления, которыми управляет центральный компьютер.

По степени приспосабливаемости к реальным ситуациям ГАПС делятся на:

• простые, в которых возможности оптимизации режимов обработки отсутствуют или весьма незначительны;
• адаптивные, в которых режимы обработки и количество проходов оптимизируются с учетом величины припуска, износа инструмента и других факторов.

Организация гибких автоматических производственных систем — это процесс создания и совершенствования ГАПС. Каждая конкретная ГАПС предназначена для производства вполне определенной номенклатуры изделий, а ее структура существенным образом определяется конкретными условиям производства на соответствующем предприятии.

Тем не менее, процесс создания ГАПС может быть типизирован, и в соответствии с этим могут быть выделены следующие его типовые этапы:

1. Конструктивно-технологическая классификация изделий. Отличительной особенностью этой классификации является значительно более глубокая, чем в обычном производстве, дифференциация конструктивно-технологических признаков изделий вплоть до выделения элементарных поверхностей, рабочих переходов требуемого набора инструментов для обработки и требуемых устройств для закрепления деталей на станках. В результате такой классификации все анализируемые детали разбиваются на группы однородных деталей, каждая из которых объединяется в одну представительную деталь с некоторыми укрупненными параметрами.
2. Установление конкретной номенклатуры изделий, для изготовления которых будет создаваться ГАПС. Эта номенклатура может включать одну или несколько групп изделий и формируется с учетом необходимой конструктивно-технологической близости изделий, объемов их выпуска, требований высокой производительности и точности изготовления.
3. Разработка укрупненной структуры технологического процесса изготовления установленной номенклатуры изделий. При этом составляется общая схема технологического процесса изготовления всех деталей этой номенклатуры, т. е. разрабатывается обобщенная типовая технология с учетом обеспечения необходимой гибкости, производительности и эффективности производства.
4. Выбор технологического оснащения ГАПС. При этом,  вначале на основе укрупненной структуры технологического процесса формируются общие требования к необходимому набору станков, а затем формируются требования к отдельным станкам с ЧПУ и выбирается оптимальное их число с учетом рациональной степени концентрации операций на отдельных станках, обеспечения автоматичности процесса изготовления изделий, необходимой степени гибкости производства и экономической эффективности всей ГАПС.
5. Разработка детальной структуры технологического процесса изготовления изделий каждого вида установленной номенклатуры. Проектирование технологического процесса обработки деталей на станках с ЧПУ требует не только тщательной разработки общей структуры технологического процесса, но и детальной разработки структуры каждой операции вплоть до рабочих и вспомогательных ходов. При этом необходимо: провести анализ вариантов обработки различных элементарных поверхностей детали; определить оптимальные режимы обработки; определить набор инструментов и последовательность их использования в каждой операции обработки детали; определить и увязать с системой координат станка траектории  автоматического движения  инструментов.
6. Разработка программ работы станков с ЧПУ. На этом этапе разрабатываются управляющие программы для выполнения каждой операции обработки детали. Управляющая программа состоит из отдельных кадров, каждый из которых определяет последовательность выполнения определенных действий рабочих органов станка. При этом выделяют следующие основные действия: начало работы (включение станка); поиск и смена инструмента, перемещение инструмента по прямолинейному участку траектории; перемещение инструмента по криволинейному участку траектории; конец программы (выключение станка).
7. Разработка пространственной планировки ГАПС и общей структуры ее транспортно-складской системы. При этом осуществляется: анализ оптимального размещения станков с ЧПУ; анализ возможных вариантов построения и размещения центрального склада и промежуточных накопителей ГАПС; анализ характера и интенсивности транспортных потоков в системе; выбор наиболее рационального варианта пространственной планировки и транспортно-складской системы ГАПС.
8. Выбор состава промышленных роботов и транспортно-складского оборудования ГАПС. Этот этап тесно связан с предыдущим и выполняется практически одновременно с ним.
9. Разработка программ работы промышленных роботов и транспортно-складского оборудования.
10. Разработка модели и алгоритмов функционирования всей ГАПС. В основе разработки общей модели функционирования ГАПС лежит принцип интеграции: потока предметов производства, потока инструментов и потока информации. При этом разрабатываются не алгоритмы функционирования каждой единицы оборудования ГАПС, а алгоритмы взаимодействия и координации работы всех единиц оборудования ГАПС.
11. Выбор средств вычислительной техники для центральной системы управления ГАПС.
12. Разработка программного обеспечения управления всей ГАПС. Программное обеспечение ГАПС должно обеспечивать работу системы в реальном масштабе времени с возможностью установления следующих режимов: полностью автоматическое управление от центрального компьютера; автономное микропроцессорное управление каждой единицей оборудования; автономное ручное управление с индивидуальных пультов управления каждой единицей оборудования.