Гибкие произведственные системы

6.3 гибкие произведственные системы

В соответствии с ГОСТ 26229 гибкая производственная система (ГПС) (гибкое автоматизированное производство – ГАП) – совокупность в разных сочетаниях оборудования с программным управлением, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

В промышленно развитых странах крупносерийное и массовое производство составляет лишь 20%, а единичное, мелкосерийное и серийное производство – 80 %.

В целях разрешения противоречий, обусловленных, с одной стороны, мелкосерийностью объектов производства, а с другой, крупными масштабами самого производства, были разработаны методы групповой технологии.

Верным шагом на пути автоматизации производства является разработка программируемых и за счет этого перенастраиваемых средств, то есть гибкого оборудования. К ним относятся станки с ЧПУ, в том числе обрабатывающие центры, промышленные роботы и другое оборудование. Еще большей гибкостью обладают системы, управляемые от ЭВМ. Подобные системы называют по разному:

- в Японии – гибкой автоматизацией, гибким производственным комплексом.

- в США – гибкой производственной системой (FMS). (ГПС).

- в нашей стране такого рода комплексы называют гибким автоматическим производством (ГАП).

Рекомендуемые материалы

ГАП функционирует на основе программного управления и групповой ориентации производства. На первом этапе ГАП может быть автоматизированным, то есть включать операции, выполняемые с участием человека.

ГАП включает исполнительную систему, состоящую из технологической, транспортной, складской систем и систему управления.

6.3.1 История развития

Периоды развития ГПС:

· период – 60–70 годы – разработка и проверка базисных принципов создания;

· период – 80 годы – разработка и создание элементной техники и технологии;

· период – 90 годы – разработка и создание системы комплексов ГП.

В нашей стране широкое распространение получили автоматические поточные линии, объединяющие комплексы автоматически работающих агрегатных станков и станков–автоматов.

Недостаток – узкая ориентация на изготовление определенного вида изделий. В связи с этим подобные средства можно использовать только там, где производство носит массовый, устойчивый характер.

В целях разрешения противоречий, обусловленных, с одной стороны, мелкосерийностью объектов производства, а с другой, крупными масштабами самого производства, были разработаны методы групповой технологии. Следующим шагом на пути автоматизации производства является разработка программируемых и за счет этого перенастраиваемых средств, то есть гибкого оборудования. К ним относятся станки с ЧПУ, в том числе обрабатывающие центры, промышленные роботы и другое оборудование. Еще большей гибкостью обладают системы, управляемые от ЭВМ. Подобные системы называют по разному:

Анализ ГПС позволяет сделать некоторые выводы:

- управление транспортными системами и работой станков осуществляется одной или несколькими отдельными ЭВМ;

- число станков в ГПС колеблется от 2 до 50. Однако 80% ГПС составлено из 4–5 станков и 15% из 8 – 10;

- реже встречаются системы из 30–50 станков (2–3%);

- наибольший экономический эффект от использования ГПС достигается при обработке корпусных деталей, нежели от их использования при обработке других деталей, например деталей типа тел вращения.

Различна и степень гибкости ГПС. В США преобладают системы для обработки изделий в пределах 4–10 наименований, в Германии – от 50 до 200; нормативный срок окупаемости ГПС в различных странах 2 – 4,5 года.

6.3.2 Основные понятия и определения

Производственным процессом в машиностроении называют совокупность действий, необходимых для выпуска готовых изделий. В основу производственного процесса положен технологический процесс изготовления изделий, во время которого происходит изменение качественного состояния объекта производства. Для обеспечения бесперебойного выполнения технологического процесса изготовления изделия необходимы еще и вспомогательные процессы

Наибольшее распространение получили ГАП в механообработке. Здесь сформировались типичные структуры – модули, объединяемые в линии или участки с помощью транспортно–складских систем. Состав модуля включает:

- обрабатывающий центр;

- накопитель паллет или кассет и средства ЧПУ. Сравнительные данные по использованию ГАП в различных технологиях:

· металлообработка ковкой – 50 %;

· металлообработка штамповкой – 21 %;

· формовка – 12 %;

· сборка – 5 %;

· остальные технологии – 12 %.

Сложнее всего происходит внедрение ГАП в сборочные производство, это связано:

· со сложностью и разнообразием объектов сборки и необходимой для

этой сборки оснастки;

· коротким циклом операций сборки;

· не жесткостью или упругостью деталей;

· необходимостью в настройке, подгонке и учете малых допусков в

сочленении деталей.

В сборочных ГАП центральным компонентом являются роботы с развитой сенсорикой и высоким уровнем машинного интеллекта, что влияет на увеличение уровня затрат при создании ГАП сборки. Поскольку роботы с интеллектуальными 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. Далее будут более подробно рассмотрены экономические и социальные аспекты использования роботов. Однако ГАП не является эффективным для любых типов производств.

В настоящее время роботы в основном применяются при операциях транспортирования, сборки, обслуживания обрабатывающего оборудования, сварки и контроля. С точки зрения вычислительной нагрузки на управляющую ЭВМ производственные операции можно подразделить на два вида:

-информационно простые операции, к ним относятся операции переноса большого числа предметов или тяжелых предметов;

-информационно сложные операции (сборки и контроля).

Основным направлением совершенствования роботов является развитие применения микро–ЭВМ с 8, 16 и 32–разрядными микропроцессорами, развитыми операционными системами и задачеориентированными языками программирования высокого уровня. Перспективным направлением является использование аналоговых микропроцессоров, т.е. больших интегральных схем, где в одном кристалле реализованы как цифровые элементы – микропроцессор, как и цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи, схемы управления периферийными устройствами.

Для реализации высоконадежных систем управления роботами все больше находят применение адаптивные микропроцессоры с БИС, т.к. в этих устройствах имеются резервные узлы, средства диагностики отказов и самовосстановления, реализующие адаптивные внутренние связи, способствующие увеличению надежности роботоориентированных вычислительных устройств до показателей, отвечающих производственным требованиям.

6.3.3 Классификация производственных систем

Изучение современного производства, разработок и проектов показывает, что спектр решений гибких производственных систем простирается от производственных модулей на базе одного станка с ЧПУ до объединенных компьютером производственных участков и цехов.

Основными классификационными признаками ГАП являются:

- масштабность структуры;

- сфера использования (по группам отраслевых производств, видам работ, массе и габаритам продукции);

- технический уровень (гибкость, степень автоматизации, рост производительности).

По масштабности ГАП разделяется на :

- гибкий производственный модуль (ГПМ)

- единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с программным управлением, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с их изготовлением, имеющая возможность встраивания в гибкую производственную систему.

Гибкая производственная система (ГПС)

Совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение указанного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ)

Гибкая производственная система, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

Гибкий автоматизированный участок (ГАУ)

Гибкая производственная система, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ)

Гибкая производственная система, представляющая собой в различных сочетаниях совокупность гибких автоматизированных линий, роботизированных технологических комплексов, гибких автоматизированных участков, роботизированных технологических участков для изготовления изделий заданной номенклатуры.

Гибкий автоматизированный завод (ГАЗ)

Гибкая производственная система, представляющая собой совокупность ГАЦ.

По степеням автоматизации ГПС подразделяются на:

- гибкие производственные комплексы (ГПК);

- гибкие автоматизированные производства (ГАП).

ГПК определяется как ГПС, состоящая из нескольких ГПМ, объединенных автоматизированной системой управления и автоматизированной транспортно-складской системой, автономно функционирующая в течение заданного интервала времени и имеющая возможность встраивания в систему более высокой системы автоматизации.

ГАП представляет собой ГПС, состоящую из одного или нескольких ГПК, объединенных автоматизированной системой управления и транспортно– складской системой.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) Совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующая и осуществляющая многократные циклы. РТК, предназначенные для работы в ГПС, должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраивания в систему. Средствами оснащения РТК могут быть: устройства накопления, ориентации, поштучной выдачи объектов производства и другие средства, обеспечивающие функционирование РТК.

Система обеспечения функционирования ГПС

Совокупность в общем случае взаимосвязанных автоматизированных систем, обеспечивающих проектирование изделий, технологическую подготовку их производства, управление гибкой производственной системой при помощи ЭВМ и автоматическое перемещение предметов производства и технологической оснастки.

В общем случае в систему обеспечения функционирования ГПС входят:

· автоматизированная транспортно–складская система (АТСС);

· автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО);

· система автоматизированного контроля (САК);

· автоматизированная система удаления отходов (АСУО);

· автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП);

· автоматизированная система научных исследований (АСНИ);

· система автоматизированного проектирования (САПР);

· автоматизированная система технологической подготовки производства (АС ТПП);

· автоматизированная система управления (АСУ) и т.д.

· автоматизированная транспортно–складская система (АТСС).

По гибкости ГПС делятся на системы:

а) высокой гибкости у которых номенклатура продукции, приведенная на один обрабатывающий модуль, превышает 100 наименований. Затраты времени на переналадку для обработки новой детали в пределах группы не более 10% полезного фонда времени работы.

б)  средней гибкости – номенклатура продукции, приведенная на один модуль, 20 – 100 наименований. Затраты времени на переналадку – 20 %.

в) малой гибкости – номенклатура – до 20 наименований; затраты времени на переналадку более 20 %.

По степени автоматизации ГПС делятся на системы:

а) высокой (высшей) степени – автоматическое управление и трехсменный режим работы;

б)  средней степени – непрерывное автоматизированное управление при многостаночном обслуживании с коэффициентом многостаночности более 2.

в) малой степени – коэффициент многостаночности не более 2.

6.3.4 Основные характеристики ГПС

Важнейшие характеристики ГАП:

-производительность;

-гибкость;

-эффективность;

Определяются, во-первых, характеристиками основного (станки) и вспомогательного (накопители, системы автоматизированного контроля и измерений и т.д.) оборудования и во–вторых, удачностью компоновки оборудования в ГПС.

6.3.4 Производительность ГПС

Это важнейший показатель эффективности производственного процесса. Наиболее надежным и удобным количественным критерием производительности являлась производительность, измеряемая количеством изделий, произведенных в единицу времени (шт/ч), или ее обратная величина – трудоемкость изготовления конкретного изделия.

Привязка этих показателей к конкретному изделию делает их малоэффективными для оценки производительности процесса, с выхода которого снимаются разные изделия. ГПС производит не только разные детали, но и разное их число в единицу времени.

Производительность нельзя рассматривать без таких понятий как гибкость и мобильность.

Гибкость:

По возможность обрабатывать на одной и той же технологической линии различные детали в различных сочетаниях;

По возможность изменения в любой момент стратегии производства в зависимости от необходимости;

По модифицирование обрабатываемых деталей без привлечения дополнительных значительных затрат;

По изменение состава технологической линии в зависимости от требований;

По повторное использование значительного процента существующих капиталовложений в том случае, если приходится полностью менять тип продукции.

Гибкость и производительность – это такие два фактора, которые очень трудно объединять, и поэтому только из анализа этих факторов можно определить их оптимальное соотношение для объединения, и этот анализ должен выполняться совместно конструктором и потребителем.

Этот анализ должен способствовать определению того, как и насколько гибкая система производства может влиять и сокращать себестоимость продукции, где под себестоимостью продукции понимается как прямая стоимость производства, так и все косвенные затраты производства, которые могут быть изменены благодаря применению этой новой современной системы производства.

Гибкие производственные системы обычно состоят из определенного количества станков, системы транспортировки и разгрузки деталей и системы управления, состоящей из одной или нескольких ЭВМ и соответствующего математического обеспечения.

Станки могут быть специализированные или универсальные, одинаковые или различные, более или менее гибкие, оснащенные или нет какой–либо особенной аппаратурой.

Система транспортировки может быть организована для транспортировки деталей, оснастки, паллет или же только для перевозки деталей; может быть более жесткой (например, линия на роликах с приводом), или же более гибкой (например, самоходные тележки на рельсах или с управлением по проводу; может выполнять только подачу отдельных деталей, а затем роботы будут забирать эти детали и закреплять или снимать их на оснастке станков.

Может, наконец, выполнять перевозку только деталей, либо также и перевозку инструментов.

Система управления может быть простейшей (управление только одним движением тележек или деталей) или может усложняться и быть системой, которая управляет программой обработки деталей, магазином с инструментами, качеством обработки, стратегией, – которые изменяются в зависимости от требований производства; наконец, может быть сложнейшей системой комплексного управления цехом со всеми его составными частями.

6.3.5 Эффективность работы ГПС

Высокая степень гибкости производственных систем и дополнительные затраты, необходимые для их внедрения, требуют тщательного и всестороннего анализа экономической эффективности их использования.

Экономический эффект внедрения ГПС не всегда можно определить простым сравнением только стоимости и других показателей основного оборудования и агрегатов. Попытки применить традиционные формулы для подсчета экономической эффективности внедрения ГПС часто приводят к отрицательному результату. Объединение в одной системе металлообработки, контроля качества, транспортировки, и др. не просто складывает, а нелинейно увеличивает экономический эффект.

Опыт показывает, что эффективность ГПС возрастает с годами в течение определенного периода после первоначальных капитальных вложений.

Это результат следующих факторов:

- приобретения опыта эксплуатации ГПС;

- ранее внедренные ГПС позволят обновлять производство за счет совершенствования ЭВМ, программного обеспечения и отчасти станков (повышение скорости обработки данных, увеличение объема памяти ЭВМ, развитие микропроцессорной техники и т.д.);

- гибкость ГПС позволяет наращивать производственные мощности постепенно, поэтапно, обрабатывать одновременно несколько разных деталей;

ГПС позволяет совершенствовать конструкцию изделия практически без дополнительных капиталовложений, связанных с изменением конструкций.

Опыт показывает, что затраты по внедрению первой ГПС значительно выше и сокращаются с внедрением каждой последующей системы.

Полностью оценить эффективность внедрения ГПС возможно только при всесторонней оценке их технических, организационных, экономических преимуществ и социальных последствий.

Уже имеются методики сравнения экономической эффективности вариантов новой техники.

6.3.6 Автоматизированные станочные системы ГПС производства

         ковки и штамповки

Современное машиностроение примерно на три четверти имеет среднесерийный и мелкосерийный характер производства. Быстро обновляется номенклатура машин, одновременно возрастает их сложность и точность; все это приводит к необходимости оперативной перестройки производства на предприятиях. Организационно-технические средства, эффективные для массового одно номенклатурного уровня производства, становятся тормозом для обновления продукции. Следовательно, необходимо создавать быстропереналаживаемые производства с высокой производительностью труда.

Станочная система – управляемая совокупность станков и вспомогательного оборудования, предназначенная для обработки одной, нескольких подобных заготовок или заготовок широкой номенклатуры на основе одного, нескольких или различных маршрутных технологических процессов.

Автоматические станочные системы функционируют без участия человека. Автоматизированные станочные системы функционируют с участием человека

Для роботизированных комплексов заготовительного крупносерийного и массового производства характерно использование автоматизированных машин для литья под давлением, литья алюминиевых и пластмассовых изделий в металлические формы, кокильных, а также специализированных машин для изготовления оболочковых форм и зачистки отливок. Структурное построение таких комплексов характеризуется индивидуальным использованием основного литейного оборудования, обслуживаемого промышленными роботами и автоматизированными вспомогательными устройствами.

Автоматизировав производственные линии, можно выполнять различные операции наряду со штамповкой: механическую обработку, сварку, сверление и другие. Благодаря этому достаточно сложный технологический процесс проходит с минимальным участием человека. Исключение человеческого фактора в данном случае означает, что все этапы производства контролируются автоматическими приборами, гораздо более точными и надежными. Однако контроль человека также остается постоянно. Контрольно–измерительные приборы, блоки питания, датчики и контроллеры заметно облегчают работу человека, но не исключают ее совсем. Они лишь помогают там, где человеческие возможности не позволяют осуществить работу так же хорошо, как возможности машин. Например, датчик перемещения позволяет регистрировать отклонение объекта в несколько микрон и избежать нарушения технологического процесса, подав сигнал. Человек не в состоянии заметить и вовремя отреагировать на подобную ситуацию.

Информация в лекции "Лекция 6" поможет Вам.

Автоматизация производства – естественный процесс развития металлообрабатывающей промышленности. Это залог качества, экономии средств и безопасности всех производственных процессов.

Автоматизация кузнечнопрессового производства в машиностроении осуществляется путем создания роботизированных комплексов для горячей и холодной объемной штамповки, ковки, холодной листовой штамповки, прессования изделий из пластмасс и порошков, а также для вспомогательных операций – чеканки, гибки, рихтовки.

Для автоматизации процесса горячей штамповки деталей массой до 3 кг из плоских штучных заготовок используют комплекс на базе пресса мод. КО– 134, специализированного двурукого ПР мод. «Циклон–ЗБ», индукционной печи и загрузочного устройства. ПР в составе комплекса выполняет следующие операции; установку заготовки (одной рукой), переустановку (второй рукой) ее на позицию вытяжки, а затем на лоток. Кроме того, робот управляет включением автоматического цикла пресса.

Гибкие производственные системы – наиболее эффективное средство автоматизации серийного производства, позволяющее переходить с одного вида продукции на другой с минимальными затратами времени и труда. ГПС позволяет снизить потребность в квалифицированных станочниках и станках, повысить качество продукции. Производительность станков с ЧПУ, входящих в ГПС, в 1,5–2 раза выше суммарной производительности такого же количества индивидуально работающих станков с ЧПУ.

Гибкая производственная система – это комплекс технологических средств, состоящих из одного–двух (не более) многоцелевых станков с ЧПУ или других металлорежущих станков с ЧПУ, оснащенных механизмами автоматической смены инструмента, автоматической смены заготовок и транспортирования их со склада до зоны обработки с помощью различных транспортных средств, например самоходных роботизированных тележек. Этот комплекс связан с единым математическим обеспечением, способствующим работе оборудования в автоматическом режиме с минимальным участием человека.

ГПС оснащены современными системами ЧПУ, управляющими перемещениями механизмов станка, инструментом, транспортом, системами загрузки–выгрузки. Такие системы ЧПУ имеют дисплеи, помогающие оператору увидеть отклонения в работе станка, мониторные устройства, обеспечивающие диагностирование режущего инструмента, контроль размеров обрабатываемых заготовок непосредственно на станке и т. д.