Этапы развития автоматизации
Лекция 1
Этапы развития автоматизации
Развитие автоматизации производственных процессов в машиностроении можно разделить на несколько витков диалектической спирали развития.
1. Автоматизация рабочего цикла машины и поточного производства
На первый виток развития - от универсальных станков, специализированных станков, станков-автоматов до автоматических линий и «жестких» заводов-автоматов человечество затратило более 200 лет. Первый токарно-копировальный станок был создан в 1712 г. А.К.Нартовым - механиком и токарем Петра I; токарный станок с суппортом и ходовым винтом был запатентован в 1798 г. Генри Модслеем.
Первая автоматическая станочная линия была установлена в Англии в 1924 г. компанией «Моррис Моторс» для обработки блоков цилиндров. В СССР автоматическая станочная линия появилась в 1939 г. на Волгоградском тракторном заводе (под руководством И.П. Иночкина).
Первый автоматический завод в мире, предназначенный для полного изготовления автомобильных поршней (литье в кокиль, механическая обработка, контроль, сортировка по размерам, консервация, комплектация и упаковка), был создан в 1951 г. в г. Ульяновске. Завод производил 3500 поршней в сутки, а обслуживали его всего 9 рабочих в смену.
Первый этап развития характерен широким использованием электромеханических устройств. Достигнув значительного повышения производительности труда в 5...10 раз, такие заводы, цехи, линии могли применяться только для массового производства деталей, конструкция которых длительное время остается стабильной. Данному этапу присущ определенный консерватизм, сдерживающий развитие новой техники:
Рекомендуемые материалы
n изделие должно быть полностью отработано;
n создание и отладка линий занимает 5 и более лет;
n срок амортизации линий составляет 8 лет и более;
n конструкция изделия длительное время должна оставаться неизменной, что сдерживает внедрение новых машин в народном хозяйстве.
Таким образом, повышение производительности средствами «жесткой» автоматизации было достигнуто за счет полной потери мобильности.
Решение этого противоречия вернуло машиностроителей снова к универсальным станкам - было создано числовое программное управление станками.
2. Числовое программное управление станками (ЧПУ)
Числовое программное управление станками практически повторило первый виток автоматизации, но на новом принципе управления - электронно-программном, причем наряду с повышением производительности каждого вида оборудования повысилась и его гибкость.
В СССР идея создания металлорежущего станка с цифровым программным управлением относится к 1949 г. Через шесть лет начал работать первый макет. А еще через два года на всемирной выставке в Брюсселе высшей наградой - премией «Гран при» был отмечен серийный образец созданного в Советском Союзе фрезерного станка, оснащенного шаговой системой ПУ.
Сведения о первом американском станке с программным управлением появились в печати в 1952 году.
На этом этапе были созданы автоматизированные линии и станки, в том числе - многошпиндельные, с числовым программным управлением. На 2-ой виток было затрачено немногим более 30 лет. ЧПУ позволило действительно получить значительный эффект в единичном и серийном производстве, но в массовом производстве оно не дало ощутимых результатов; кроме того, индивидуальное ЧПУ для каждого станка оказалось громоздким и дорогим.
3. Гибкие автоматизированные производства
Гибкие автоматизированные производства (ГАП) начали третий виток, характеризующийся дальнейшим развитием электроники, применением ЭВМ и микропроцессоров, созданием универсальных станков с ЧПУ, непосредственно управляемых от ЭВМ в режиме разделения времени. Это позволило связывать станки управлением и единым транспортом в группы, т.е. создавать системы машин. На этом витке началось соединение в единую систему всех производственных функций: конструирования, технологической подготовки производства, обработки, сборки, испытаний и др. ГАП позволяют сочетать преимущества универсальных станков, их полную мобильность с высокой производительностью автоматических линий и заводов массового производства.
4. Гибкие автоматические производства
Гибкие автоматические производства, безлюдные заводы будут созданы в ХХI веке на основе ЭВМ пятого поколения. Дальнейшее развитие науки и техники, решение проблемы надежности и самодиагностики рабочих машин переведут развитие автоматизации на следующий виток, когда будут созданы безотказные самовосстанавливающиеся рабочие машины и системы. Создание искусственного интеллекта будет залогом успешного решения этой задачи.
ОСНОВНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ
ГИБКИХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ
При традиционной организации производства детали находятся в цехах только 1% всего времени создания и производства продукции, на станках - 5% от времени нахождения деталей в цехах. В свою очередь, на обработку детали приходится 15 - 30% общего времени ее нахождения на станке.
Повышение производительности рабочей машины оказали незначительное влияние на сокращение общего цикла производства. Многое достигнуто в рационализации режимов резания, совершенствовании инструментов, автоматизации рабочего цикла станка и т.д. Таким образом, усилия станкостроителей и исследователей в основном были направлены на уменьшение времени, в течение которого деталь находится на станке, тогда как следовало бы уделять больше внимания и другим этапам создания продукции.
Перед промышленностью стоят две различные задачи. Крупносерийное и массовое производство надо наделить мобильностью, сохранив при этом все преимущества широкой автоматизации. А серийное производство необходимо комплексно автоматизировать, чтобы наряду с гибкостью оно приобрело лучшие черты массового производства: непрерывность, ритмичность, высокий темп выпуска изделия. Решать обе эти задачи на единой основе позволяет именно идея гибких автоматизированных производств.
Основные предпосылки создания гибких автоматизированных производств могут быть сведены к следующим:
1. Постоянный дефицит рабочей силы
Едва ли не самая главная предпосылка в современном цивилизованном обществе. Социологи утверждают, что успехи современной медицины и повышение общего уровня жизни приводят к изменению динамики возрастной структуры населения: с каждым годом увеличивается доля пожилых людей и соответственно уменьшается доля молодежи. Изменился и образовательный уровень лиц, вступающих в производство, резко сократилось число выпускников средних школ, поступающих на работу в промышленность.
Кроме того, происходит общая смена сферы трудовой деятельности: возрастает доля управляющего и обслуживающего персонала за счет непосредственно участвующего в материальном производстве. Все эти тенденции связаны с развитием цивилизации. Избежать их невозможно, но они все острее ставят перед промышленностью проблему нехватки рабочей силы.
2. Необходимость сокращения ручного труда и повышения его производительности
С экономических позиций очевидна недопустимость дальнейшего сохранения значительной доли ручного труда. По статистическим данным, в середине 80-х годов в материальной сфере страны ручным трудом (не считая работ по ремонту) было занято около 40 миллиона человек, причем в промышленности примерно 40% общего числа рабочих, в строительстве - более половины, а в сельском хозяйстве, торговле, на погрузочно-разгрузочных работах - около 60% .
Положение усугубляется низкой производительностью труда. Так, производительность труда в нашей стране в 1985 г. по сравнению с США составляла: в промышленности - 55%, в сельском хозяйстве - около 20 %.
Особенно велики затраты ручного труда в серийном и мелкосерийном производстве, на долю которого приходится 75...80% машиностроительной продукции. Долгие годы это производство вообще считалось несовместимым с автоматическим оборудованием. Кроме широкой номенклатуры изделий серийного производства его особенностью является то, что за последнее время сроки устойчивого серийного производства машин сократились примерно в 3 раза и продолжают сокращаться. В то же время объем технологической подготовки производства не только сохраняется, но и непрерывно увеличивается. Парадокс состоит в том, что переход на новую продукцию труднее дается наиболее современным предприятиям, которые оснащены высокопроизводительным специализированным оборудованием: станками-автоматами, автоматическими линиями. Чаще всего это оборудование действует по жесткой программе и не поддается переналадке. Если даже оборудование и специальное оснащение полностью окупилось, но сохраняет работоспособность и достаточно производительно, отказ от него равнозначен потерям ранее вложенных материалов, энергии, труда. Потери приходится компенсировать большими затратами на техническое перевооружение, реконструкцию, а иногда - и строительство новых цехов. Гибкая же технология позволяет максимально сохранить основные фонды, свести к минимуму потери и затраты при освоении новой продукции.
3. Создание технической базы ГАП
Третья предпосылка заключается в том, что последовательно подготовлена техническая база для функционирования ГАП:
a) станки с ЧПУ и особенно обрабатывающие центры позволили максимально автоматизировать основные технологические операции, до 3...4 раз поднять производительность труда по сравнению с универсальными станками;
б) промышленные роботы дали возможность связать отдельные операции в единый автоматизированный комплекс, исключив человека из сферы обслуживания станков;
в) появление управляющих мини- и микро- ЭВМ дает возможность связать технологическое оборудование и ПР единой системой управления.
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
Терминологию по ГПС определяет ГОСТ 26228-90 «Системы производственные гибкие. Термины и определения, номенклатура показателей».
Гибкая производственная система (ГПС) - управляемая средствами вычислительной техники совокупность технологического оборудования, состоящего из разных сочетаний гибких производственных модулей и (или) гибких производственных ячеек, автоматизированной системы технологической подготовки производства и системы обеспечения функционирования, обладающая свойством автоматизированной переналадки при изменении программы производства изделий, разновидности которых ограничены технологическими возможностями оборудования.
Гибкий производственный модуль (ГПМ) - единица технологического оборудования, автоматически осуществляющая технологические операции в пределах его технических характеристик, способная работать автономно и в составе ГПС или ГПЯ.
В средства автоматизации ГПМ в общем случае входят:
n устройство ЧПУ для автоматизации последовательности действий рабочих органов технологического оборудования, включая смену заготовок, изделий, инструмента, подачу СОЖ, удаление отходов и переналадки;
n устройство адаптивного управления для автоматизации регулирования параметров техпроцесса, при изменении условий его выполнения;
n устройство контроля и измерения во время или после операции для автоматизации подналадки оборудования;
n устройство диагностики оборудования для автоматизации выявления и устранения неисправностей и т.д.
Гибкая производственная ячейка (ГПЯ) - управляемая средствами вычислительной техники совокупность нескольких ГПМ и системы обеспечения функционирования, осуществляющая комплекс технологических операций, способная работать автономно и в составе ГПС при изготовлении изделий в пределах подготовленного запаса заготовок и инструмента.
Разновидностью ГПЯ, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций, является гибкая автоматизированная линия (ГАЛ).
Система обеспечения функционирования ГПС и ГПЯ (СОФ ГПС и ГПЯ) - совокупность взаимосвязанных автоматизированных систем, обеспечивающих управление технологическим процессом, перемещением предметов производства и оснастки.
В состав СОФ ГПС и ГПЯ в общем случае входят: АТСС (автоматизированная транспортно-складская система), АСИО (автоматизированная система инструментального обеспечения), САК ( система автоматизированного контроля), АСУО (автоматизированная система удаления отходов), АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом), АСУТО (автоматизированная система управления технологическим оборудованием) и т.д.
Гибкий автоматизированный завод (ГАЗ) - интегрированное средствами вычислительной техники производства, состоящее преимущественно из ГПС для выпуска продукции в условиях ее совершенствования и изменяющейся потребности.
Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) - цех завода, состоящий преимущественно из гибких автоматизированных участков.
Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) - участок цеха, технологическое оборудование которого состоит преимущественно из ГПС, ГПЯ, ГПМ.
Классификация ГПС
Стандартом определены следующие признаки классификации гибких производственных систем:
n Комплексность изготовления изделий
операционная - выполняет одну или несколько технологических операций изготовления изделия;
предметная - изготавливает отдельные детали сборочных единиц;
узловая - изготавливает комплекты деталей сборочных единиц и осуществляет сборку узлов)
n Методы обработки, формообразования, сборки и контроля (в свою очередь, устанавливаются по ГОСТ 3.1109)
n Разновидность обрабатываемых изделий
(определяется классификатором ЕСКД: классы деталей 71, 72, 73, 74, 75, классы сборочных единиц 28, 29, 30 и т.д.)
n Уровень автоматизации:
1-й уровень автоматизации - автоматизированная переналадка при изготовлении освоенных изделий;
2-й уровень автоматизации - автоматическая переналадка при изготовлении освоенных изделий;
3-й уровень автоматизации - автоматизированная переналадка при переходе на изготовление новых изделий;
Уровни автоматизации ГПМ и ГПЯ устанавливаются в зависимости от автоматически выполняемых ими функций, перечень которых должен регламентироваться в соответствующих стандартах на конкретные виды ГПМ и ГПЯ.
Оценка гибкости ГАП
Понятие гибкости является многокритериальным и неоднозначным. Целесообразно выделить три формы гибкости.
Структурная гибкость - определяет:
· возможность выбора последовательности обработки;
· возможность выполнения обработки заданного множества деталей при отказах отдельных элементов системы;
· возможность наращивания системы на основе модульного принципа.
Технологическая гибкость - определяется:
¨ способностью на имеющемся оборудовании выполнять несколько технологических задач (обеспечивается использованием многоцелевых станков, охватывающих широкий спектр производственных операций);
Ещё посмотрите лекцию "40 Механическая и кулинарная обработка рыбы" по этой теме.
¨ возможностью обработки группы деталей без переналадки оборудования или с незначительными затратами на переналадку.
Организационная гибкость - определяется:
n возможностью максимальной загрузки оборудования;
n обеспечением минимального производственного цикла.
Нетрудно видеть полную противоположность в решении указанных задач. В первом случае структура ориентируется на средства производства (технологический принцип), что позволяет эффективно использовать оборудование, но может привести к удлинению производственного цикла и увеличению незавершенного производства. Во втором случае структура ориентируется на изделие (предметный принцип) при нерациональном использовании оборудования. Наиболее приемлемым считается первый принцип, особенно для систем с широкой и непрерывно изменяющейся номенклатурой, но для этого необходимо иметь высокоэффективную гибкую систему календарного планирования и оперативного управления.
