Гибкий.ру Гибкое производство – новая концепция в машиностроении
Станки благодаря ЧПУ стали автоматическими. Однако такая автоматизация, повысив их производительность, не дала решающего роста производительности труда в целом в машиностроении. И это несмотря на значительное повышение мощности отдельных станков и их точности. Это обусловлено следующими причинами.
При традиционной организации производства детали находятся в механообрабатывающих цехах только 1% времени создания и производства продукции. Удельный же вес нахождения детали на станке составляет всего лишь 5% нахождения её в цехе. В свою очередь только 25-30% общего времени нахождения детали на станке затрачивается непосредственно на обработку резанием. На протяжении десятилетий усилия станкостроителей, машиностроителей и исследователей в основном были направлены на уменьшение времени нахождения детали на станке и в цехе. С этой целью оптимизировались режимы резания, совершенствовались конструкции режущих инструментов и инструментальные материалы, автоматизировались рабочие циклы станков. Между тем практически вне круга интересов инженеров и исследователей оставались другие этапы создания и производства продукции. Именно этим можно объяснить недостаточно высокий уровень организации труда на ряде машиностроительных предприятий.
Другая причина заключается в том, что вновь внедряемому прогрессивному оборудованию не создаётся соответствующая производственная обстановка и организация труда. Это связано опять же с традиционным, исторически сложившимся подходом: сначала создаётся новое оборудование, под него проектируется новая технология, а затем новая организация труда, которая, являлась третьей в очерёдности, не успевает перестроиться. В результате автоматизация оборудования идёт в отрыве от всего комплекса производственных задач. Часто при введении новых станков оставляют “старый” технологический процесс. Нередко новые станки становятся только “фасадом”, прикрывающим устаревшую технологию производства, если организация производства не обеспечивает их эффективного использования.
Гибкое производство радикально изменяет традиционные, выработанные годами подходы к организации производства. Поточная технология, в основе которой заложена дифференциация процесса обработки деталей на многочисленные операции и переходы, выполняемые на различных станках, к середине 60-х годов потеряла свои экономические преимущества, т.к. продукция стала значительно сложнее и её ассортимент стал изменяться чаще.
Настало время выбирать между дальнейшей специализацией станков с автоматизацией вспомогательных операций и созданием универсальных многоцелевых станков с ЧПУ с тем, чтобы деталь централизованно полностью отрабатывалась на одном станке. Выбор был сделан, появились обрабатывающие центры, а затем и ГПС.
В своём развитии ГПС шли через ряд этапов, которые связаны с различными уровнями автоматизации процесса производства. Можно выделить четыре таких уровня.
Первый уровень автоматизации предполагает, как правило, управление последовательностью и характером движений в процессе обработки с целью получения заданной формы, размеров и качества поверхности обрабатываемой детали. Наибольшее воплощение этот уровень нашёл в технологическом оборудовании с ЧПУ.
На втором уровне автоматизации кроме цикла обработки осуществляется автоматизация установки, закрепления, раскрепления и снятия деталей со станка – автоматизация загрузки.
Третий уровень кроме автоматизации цикла обработки и загрузки деталей предполагает автоматическое выполнение следующих функций, ранее выполняемых станочником:
– контроль за состоянием инструмента и своевременная его замена;
– контроль качества обработки (размеров, точности формы и взаимного расположения поверхностей и т.д.);
– контроль и подналадка хода технологического процесса на основе адаптивного управления;
– контроль за состоянием работоспособности станка;
– выполнение вспомогательных функций, например удаление стружки.
Четвёртый уровень автоматизации предлагает автоматическую переналадку оборудования на обработку изделия другого наименования. То есть автоматически переналаживаются станки, приспособления, инструмент, циклы и режимы обработки, загрузочные устройства, контрольные системы и т.д.
Таким образом, сущность концепции гибкого автоматизированного производства состоит в том, что оно позволяет переходить с выпуска одного изделия на выпуск другого без переналадки оборудования или с переналадкой, осуществляемой параллельно без остановки выпуска текущего изделия.
Отличие новой концепции от традиционной состоит в том, что она позволяет полностью интегрировать весь производственный цикл – от идеи до выпуска готовой продукции – путём автоматизации всего комплекса конструкторских работ, технологических процессов и функций управления на базе ЭВМ, причём как в единичном, серийном, так и в массовом производствах. Эта концепция начала применяться в металлообработке и получает распространение в сборке и других видах производства, таких как заготовительное, испытание продукции и др.
Лекция 2
План:
1. Основные понятия и определения, относящиеся к гибкому производству.
2. Место ГПС в механообрабатывающем производстве.
Основные понятия и определения, относящиеся к гибкому производству
В технической литературе у нас и за рубежом наибольшее распространение получил термин “гибкая производственная система” (ГПС в Россиии и Италии, FFS в ФРГ, FMS в США). Используются термины: “гибкая автоматизация”, “гибкий производственный комплекс” (Япония); “гибкий цех” (Франция); “автоматизированное мелкосерийное производство” (ASP, Англия); “вариационная производственная система” или ” система с изменяемой производственной задачей” (VMS, США); ” производственная система, интегрированная с помощью ЭВМ” (CIM, США); “автоматизированная с помощью ЭВМ система” (СТАМ, ФРГ).
Программируемая автоматизация широко распространилась в конструкторских работах, в подготовке и планировании производства. У нас созданы системы автоматизированного проектирования – САПР. За рубежом их называют “CAD” (Computer Aided Design), что означает “конструирование с помощью ЭВМ”. К САПР относится и понятие АРМ – автоматизированное рабочее место. САПР может применяться для решения технологических задач. Такая технологическая САПР получила название “автоматизированная система технологической подготовки производства” (АСТПП); для управления предприятием – “автоматизированная система управления предприятием” (АСУП). В зарубежной практике используется для всех этих систем один термин – “CAM”(Computer Aided Manufacturing), что означает “использование ЭВМ в производстве”.
В зарубежной практике наиболее употребляемым термином является “CAD-CAM”, который может приравниваться к “САПР АСТПП АСУП”. Обобщающим термином является “CIM” (Computer Integrated Manufacturing), т.е. “компьютерная интеграция производства”.
Основными характеристиками гибкого производства являются – степень автоматизации, степень гибкости и уровень интеграции.
Степень автоматизации – это показатель, равный отношению объёмов работ, выполняемых без участия и с участием человека, или соотношение времени “безлюдной” работы и времени работы системы, когда требуется какое-либо участие человека. Этот показатель включает и степень надёжности работы системы, которая определяется соотношением времени работы и простоев системы, вызванных отказом оборудования, систем управления, ЭВМ и других компонентов системы.
Степень гибкости – это фактически мобильность, определяемая объёмом затрат, с которыми можно перейти на выпуск новой продукции, а также разнообразием номенклатуры изделий, обрабатываемых одновременно или поочерёдно.
Уровень интеграции – это показатель количества различных производственных задач, функций, которые увязываются в единую систему и управляются центральной ЭВМ. Это – конструирование, технологическая подготовка производства, обработка, сборка, контроль, испытания, делопроизводство, ремонт и содержание оборудования и др.
Основные понятия и определения, относящиеся к ГПС, содержаться в ГОСТ 26228-85 “Системы производственные гибкие. Термины и определения”.
ГПС – это несколько единиц технологического оборудования, снабжённого средствами и системами, обеспечивающими функционирование оборудования в автоматическом режиме, при чём ГПС обладает свойством автоматизированной переналадки при переходе на производство новых изделий в пределах заданной номенклатуры. По организационным признакам ГПС подразделяются на следующие виды: гибкая автоматизированная линия (ГАЛ); гибких автоматизированный участок (ГАУ); гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) и гибкий автоматизированный завод (ГАЗ). ГАЛ и ГАУ состоят из гибких производственных модулей (ГПМ), роботизированных технологических комплексов (РТК) или (и) отдельных единиц технологического оборудования.
ГПМ- это единица технологического оборудования, оснащенная автоматизированным устройством программного управления и вспомогательными устройствами, способная функционировать автономно а также имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня. Разновидностью ГПМ является роботизированный технологический комплекс (РТК). Это совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота(ПР) и другиих средств оснащения, которая способна автоматически осуществлять многократные циклы обработки по программе. В общем случае в ГПМ входят накопители, приспособления-спутники (паллеты), устройства загрузки и разгрузки, в том числе промышленные роботы и манипуляторы, устройства замены технологической оснастки, автоматизированного контроля, дииагностики и переналадки, удаления стружки и другие устройства.
Таким образом, организационную структуру ГПС укрупненно можно представить следующим образом (рис. 2.1).
Структурной особенностью ГАЛ является расположение технологического оборудования в соответствии с принятой последовательностью выполнения технологических операций (рис. 2.2).
В ГАУ предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования (рис. 2.3).
ГАУ подразделяются по функциональному назначению на передельно-технологические, реализующие определённые технологические переделы – заготовительные, пластической деформации, мехобработки, сварочные, сборочные и т.д. и предметно-замкнутые – для обработки корпусных деталей, тел вращения, зубчатых колёс и т.д.
Простейший ГАУ (рис. 2.4) состоит из несколько станков типа ОЦ, общего перегружателя заготовок, закреплённых на паллетах. Каждый станок имеет свой комплект паллет.
Опыт создания различных ГПС показывает что варианты компоновок ГАУ сводится к следующим 4 видам (рис. 2.5):
а) с продольным расположением ГПМ относительно транспортной магистрали;
б) с поперечным расположением ГПМ, примыкающих к центральному складу;
в) с диагональным расположением ГПМ относительно транспортной магистрали;
г) с кольцеобразным расположением ГПМ относительно терминального узла транспортной системы.
На первых этапах освоения эффективной оказалась кольцеобразная компоновка, как наиболее удобная для наблюдения и переналадки. Схема с жёстким примыканием ГПМ к автоматическому складу является наиболее простой по набору технических средств, но недостаточно гибка. Наибольшей гибкостью обладают структуры с робокарами.
§
На рис. 6.1 приведены области применения различных автоматизированных технологических систем в машиностроении, а на рис. 6.2 – качественное сравнение технологических систем по основным показателям.
Применение традиционных автоматических линий с жесткой связью широко известно. Построенные, как правило, по агрегатному принципу они являются непереналаживаемыми. Тем самым определяется область их эффективного использования – массовое производство.
Отличие гибких переналаживаемых автоматических линий от традиционных заключается в использовании станков с ЧПУ, что обеспечивает определенную гибкость рассматриваемых линий за счет имеющейся возможности быстрой смены программ обработки. В дополнение к этому гибкость линии достигается за счет разделения ее на участки с помощью накопителей, а также способностью транспортной системы пропускать определенные рабочие позиции.
Различают следующие компоновки гибких автолиний : линия кольцевая, с разделением на участки. По форме они близки к традиционным автолиниям. Смена партий обрабатываемых деталей производится, как правило, через длительные промежутки времени. Эффективная область применения гибких автоматических линий – крупносерийное производство, когда впоследствии предполагается переход на обработку других изделий. Это наиболее характерно при обработке деталей в моторостроении : коленчатые валы, корпуса редукторов, блоки цилиндров и т. д.
В условиях специализированного крупносерийного и среднесерийного производства, когда продукция периодически изготавливается в пределах небольшой номенклатуры (8- 10 наименований) большими партиями (1.5- 15 тыс. шт.), широкое распространение получают ГАУ, построенные на использовании переналаживаемых агрегатных станках (ПАС), получивших название мультиценторов.
Наиболее широкую область применения имеют ГПС. Современная промышленность характеризуется тем, что 75% всех деталей в машиностроении обрабатываются в условиях мелкосерийного производства партиями от 3 до 50 деталей при номенклатуре 4-5 тыс. типов. Стоимость такой обработки в 10-30 раз превышает стоимость обработки аналогичных деталей в условиях массового производства. Таким образом область эффективного применения ГПС – мелкосерийное и среднесерийное производства. При переходе к обработке малого числа партий с большим количеством заготовок в партии снижается эффективность применения ГПС, так как не используется их главное преимущество – гибкость. Ни одна из производственных систем не обладает такими возможностями, как ГПС. В ней параллельная обработка в автоматическом режиме нескольких деталей может осуществляться с производительностью, соизмеримой с автоматическими линиями.
Лекция 3
План:
1. Основные этапы и перспективы развития гибкого производства.
2. Опыт промышленного внедрения ГПС.
3. Понятие гибкости ГПС.
4. Структура ГПС.
§
В развитии гибкого производства можно выделить три основных этапа.
1). Первый этап – утверждение концепции гибкого производства (1967-1985 г.г.). Частичная реализация его элементов относится к концу 60-х и началу 70-х годов. Однако только в 1978году в журнале ”IRON-AGE” был опубликован первый отчёт о работах в этой области: “Представление обществу гибкости производства”, в котором была сделана попытка осмыслить эту важную и быстрораспространяющуюся тенденцию в металлообработке. В отчёте содержалось немало утверждений и оценок, признанных впоследствии ошибочными. К ним относится, в частности, суждение об ограниченных перспективах развития гибких производств в Европе.
После признания заслуг итальянской фирмы “Komay” на конкурсе, объявленном компанией “General motors”, где фирмой была выставлена малогабаритная система из трёх обрабатывающих центров по изготовлению шестерён и осей автомобиля “Шевроле”, и последовавших затем разработок японских фирм, стало ясно, что ГПС получат всемирное распространение.
В начале 80-х годов в мире, по зарубежным данным, насчитывалось около 125 ГПС, в том числе в Японии – 40, в США – 26, в странах Западной Европы – 26. Наиболее активно в области освоения ГПС работают машиностроительные фирмы Японии.
В ряде западных стран (ФРГ, Япония, Англия) работы по созданию ГПС ведутся по национальным программам, финансируемым правительствами. Кроме того, отдельным фирмам для проведения разработок в указанном направлении и для внедрения ГПС предоставляются безвозмездные государственные субсидии.
Многие первые ГПС, внедряемые в производство отдельно, к сожалению не показали улучшения работы всего предприятия, т.к. их эффективность терялась из-за отставания смежных участков, главным образом сборочных. Это объясняется тем, что на первом этапе ГПС находились ещё в экспериментальной стадии, на которой проходили отработку технология и организация производства.
2). Второй этап – дальнейшее развитие и тиражирование ГПС, интеграция ГПС различного назначения а также систем САПР в единые производственные системы, решение проблем искусственного интеллекта (1980-2000 г.г.).
На этом этапе ГПС нового поколения становятся проще, легче управляемыми, более эффективными и гибкими для перепрограммирования при переходе на новую продукцию. Так, например, на одном из мировых центров гибкого производства, каким является новое предприятие фирмы “Fanuc”, использование 29 мини-ГПС позволило организовать круглосуточную работу предприятия силами 100 человек вместо 500, необходимых для функционирования обычного предприятия того же масштаба.
Согласно прогнозам к 2000 году можно ожидать, что годовой выпуск станков будет включать:
25-30% универсальных станков,
20-25% станков с ЧПУ,
30-35% – ОЦ, из которых более 50% будут объединены в ГПС,
выпуск жёстких автоматических линий не превысит 8-10%.
В 2000 г. в мировом машиностроении должны работать порядка 14 тысяч ГПС. Около 20% всех выпускаемых ОЦ и станков с ЧПУ будут объединены в ГПС и смогут обеспечивать “безлюдную” работу в течение 8-10 часов в сутки. Примерно 70-80% машиностроительных компаний будут использовать ЭВМ для решения конструкторских или производственных задач. Однако доля компаний, которые будут иметь полностью интегрированные системы составит не более 5%.
Анализ работающих ГПС показывает, что целесообразность использования различных видов автоматизированного оборудования определяется, в основном, годовым выпуском продукции и количеством типоразмеров деталей (рис. 2.1). Так выявлено, что ГПС наиболее эффективны при изготовлении от 8 до 100 типоразмеров деталей.
На втором этапе развития ГПС оснащаются автоматическими зажимными приспособлениями, а станки – надёжными и практичными контрольными датчиками (сенсорами). Дальнейшее развитие получает адаптивный контроль размеров и качества поверхности при обработке. Причём делается уклон на использование устройств бесконтактного контроля с быстрореагирующей обратной связью. ГПС оборудуются диагностическими датчиками, которые связаны с ЧПУ и своевременно реагируют, внося необходимые изменения в работу системы.
3). Третий этап развития гибкого производства начнётся с внедрения первых полностью интегрированных гибких автоматизированных заводов – заводов будущего. Первый такой завод, по все видимости, будет введён в строй после 2000-го года.
Дальнейшие перспективы развития ГПС связываются с последними достижениями в области электронных устройств, которые обеспечивают создание станков с интеллектом. Такие станки наиболее пригодные для ГПС и будут способны понимать свои действия, “переговариваясь” друг с другом в системе. С другой стороны будут развиваться и недорогие автоматизированные системы и ячейки для “безлюдных” операций, включающие один-два станка. Такие системы могут внедряться с малым риском на небольших заводах.
В ГПС все большее распространение получают роботы. Специально сконструированные для ГПС они используются для загрузки и выгрузки станков. В настоящее время сферу их использования в ГПС расширяют, применяя для подачи паллет с инструментами с управляемых автоматических тележек на станок или в инструментальные магазины на станки, для выполнения контрольных операций, операций перегрузки и транспортировки и т. д.
Наряду с роботами в ГПС расширяется практика использования автоматических тележек (робокаров), которые еще находятся в начале своего развития. Последние получают наибольшее распространение в ГПС. Основные проблемы их использования связаны с конструкцией ходовой части тележки и ее ориентацией в движении. Обеспечение тележек энергией является еще одной проблемой. Аккумуляторы, которые являются сейчас практически единственным источником энергии робокаров, должны быть заменены на более практичные источники автономного питания.
Большинство разработчиков ГПС ведут исследовательские работы по применению лазеров для контроля. Основное преимущество их состоит в том, что они позволяют бесконтактно контролировать размеры в широком диапазоне одним устройством без переналадки.
Дальнейшее развитие ГПС потребует налаживания четкой системы связи. Организация и управление производством, а также делопроизводство должны осуществляться без бумажной документации. Оптические волокна станут главным средством связи на производстве. Развитие этой техники уже сейчас достигло стадии, когда она может успешно применяться в ГПС. Такие каналы связи могут использоваться для передачи цифровой информации, а также для контроля измерений. Например оптические волокна могут “оглядывать”предметы размером 0,2 – 0,3 мм (так называемое техническое зрение). Типичным примером применения оптоволокон станут измерения, ощупывание, счет, фиксация деталей, обнаружение сломанной кромки инструмента и т. д.
Говоря о достоинствах и преимуществах ГПС нельзя не отметить и присущие им недостатки. К ним можно отнести: большие капитальные затраты при внедрении, сложность обслуживания, необходимость наличия высококвалифицированного обслуживающего персонала.
§
Анализ внедренных ГПС в различных странах показывает широкий круг отраслей промышленности, в которых они нашли применение. Около 40% ГПС внедрено в автомобильной промышленности, около 30% в приборостроении и в общем машиностроении, около 20% – в станкостроении, около 10% в аэрокосмической и оборонной промышленности.
В автомобильной промышленности ГПС применяется в производстве практически всехдеталей двигателя, шасси, заднего моста, а также на сборке кузова и общей сборке двигателя. Наиболее распространенными деталями для обработки в ГПС являются части трансмиссии и коробки передач.
В станкостроении чаще всего в ГПС обрабатываются станины, колонны, столы, каретки, салазки; реже- детали коробок скоростей и шпинделя. В приборостроении и общем машиностроении ГПС используется для обработки деталей фотокамер, корпусов швейных машин, корпусов турбин, горного оборудования, корпусов насосов и др.
90% ГПС создано на крупных предприятиях (свыше 2 тыс. работающих), остальные – на средних предприятиях. Около 75% всех созданных ГПС предназначены для обработки корпусных деталей, остальные – для тел вращения. Детали обрабатываются партиями от 3 до 50 штук, однако в отдельных ГПС – до нескольких тысяч штук. Начавшаяся интеграция производства, объединяющая в единую систему ГПС, САПР и АСТПП, обеспечивает экономичность обработки деталей партиями даже в 1-2 детали.
Число станков в одной ГПС колеблется от 2 до 15 (среднее значение – 10 станков). Число различных типов станков в одной ГПС от 1 до 6 (среднее значение- 2,2).
В условиях широкономенклатурного (мелкосерийного) производства, когда продукция изготавливается малыми партиями (200 – 500 деталей) при частой их смене (100 – 800 наименований) предпочтительно использовать ГПМ на базе ОЦ и ТОЦ. Степень автоматизации ГПМ выше, чем у обычных станков с ЧПУ.
Наиболее универсальны в механообработке единичные станки с ЧПУ. В принципе, применение их возможно при всех типах производства, начиная с единичного и кончая массовым производством. Однако наиболее эффективно их применение в единичном производстве, при минимальном числе однотипных деталей и очень широкой номенклатуре обрабатываемых деталей. Станки с ЧПУ пришли на смену обычным универсальным станкам, подняв уровень производства до автоматизированного. Указанная область применения станков с ЧПУ объясняется наивысшей их гибкостью при переходе с обработки одной детали на другую. Этот переход практически сводится к замене одной управляющей программы на другую.
Анализ промышленного применения ГПС показывает следующие основные их преимущества перед другими автоматизированными системами:
1) Технологические:
– увеличение гибкости и приспосабливаемости производства при расширении или изменении номенклатуры изделий, при возрастании числа вариантов обработки и т. п.;
– повышение коэффициента загрузки станков, уменьшение вспомогательного времени за счет быстрой смены заготовок и режущего инструмента, уменьшение времени переоснащения производства, многосменность работы;
– значительное повышение качества и точности обработки (уменьшение числа переустановок обрабатываемых деталей, исключение субъективных факторов, снижение доводочных работ и т. п.);
– автоматизация основных и вспомогательных операций, транспортно-погрузочных работ.
2) Организационные:
– сокращение времени от поступления заявки на обработку конкретной заготовки до получения готовой детали;
– рост гарантии обработки детали в срок;
– быстрая и точная диагностика различного рода сбоев.
3) Социальные:
– значительное снижение вероятности несчастных случаев;
– устранение монотонного утомительного труда;
– повышение общего уровня производства и квалификации обслуживающего персонала.
§
Говоря о степени гибкости системы, необходимо уточнить само понятие гибкости, которое является многокритериальным и неоднозначным.
Многообразие технических, производственных и других задач, решаемых методом гибкой автоматизации, не дает возможности сформулировать единые методы комплексной численной оценки гибкости. Поэтому целесообразно оценить три формы гибкости : структурную, технологическую и организационную.
Структурнаягибкость в этом случае рассматривается широко; она охватывает несколько возможностей:
– свободу в выборе последовательности обработки :
– возможность при выходе из строя любого ГПМ выполнять обработку на аналогичном оборудовании ;
– возможность модернизации и наращивания ГПС.
Технологическая гибкость определяется возможностью на имеющемся оборудовании выполнять несколько технологических задач, то есть осуществлять различную обработку.
Организационнаягибкость в значительной мере определяет структуру ГПС. Здесь нужно учитывать следующее.
Имеется определенное противоречие между стремлением максимально загрузить оборудование и обеспечить минимальный производственный цикл. Стремление к сокращению производственного цикла приводит к предметно-замкнутой структуре, ориентированной на изделие. Это в итоге неизбежно вызывает нерациональное использование оборудования и трудовых ресурсов.
В противовес указанной, предельно-технологическая структура ориентирована на средства производства. Она обеспечивает наиболее эффективное использование оборудования и позволяет сократить численность работающих, но может привести к удлинению производственного цикла и увеличению незавершенного производства. Для устранения этих недостатков необходимо располагать эффективной системой календарного планирования и управления с централизованным распределением работ.
Структура ГПС
Для нормального функционирования ГПС в ее состав должен входить ряд подсистем. В основе ГПС лежит блочно-модульный принцип (рис. 3.1.) и гибкость системы складывается из гибкости составляющих ее целевых модулей.
Складской модуль– это автоматический склад. Он не является в обычном понимании складом-накопителем. Это скорее распределитель с автоматической системой поиска и перегрузки в склад и со склада на транспортные средства паллет, поддонов, магазинов и ящиков с заготовками, а в отдельных случаях- с оснасткой и инструментом.
Транспортный модуль– это комплекс автоматических транспортных средств (индивидуальные тележки- робокары, различные транспортеры, конвейеры, рольганги, трансроботы и пр.) вместе с системой автоматического управления движением этих средств по маршруту.
Установочный модуль включает комплекс оборудования участка установки заготовок в приспособления и на паллеты или набора их в магазины и другую тару, включая сборку и хранение технологической оснастки.
Эти три модуля объединяются в транспортно-складской модуль.
Инструментальный модуль– это все инструментальное хозяйство, объединенное в подсистему управления инструментом, включая участок подготовки и настройки инструмента вне станка.
Производственный модуль– это технологическое оборудование, которое образует станочную систему ГПС. Отдельные единицы этого оборудования (чаще всего- гибкий производственный модуль ГПМ) могут функционировать как самостоятельно, так и в составе ГПС. При этом все функции, связанные с изготовлением изделия, осуществляются автоматически.
Контрольно-испытательный модуль состоит из участка контроля качества, включающего контрольно-измерительные машины с ЧПУ, испытательные стенды и т. п.
Модуль АСУ– это комплекс центральной ЭВМ, промежуточных мини-компьютеров и микропроцессоров в совокупности со всем программным и математическим обеспечением.
| ГПС | ||||||||||||||||||||||||
| Транспортно-складской модуль | Инструмен-тальный модуль | Производствен-ный модуль | Контрольноиспытатель-ный модуль | Модуль АСУ | ||||||||||||||||||||
| Складской модуль | Транспортный модуль | Установочный модуль | ||||||||||||||||||||||
Рис. 3.1. Структурное построение ГПС
Лекция 4
План:
1. Складской модуль ГПС.
2. Транспортный модуль ГПС.
3. Установочный модуль ГПС.
§
Устройства складирования в ГПС служат для хранения заготовок, частично или полностью обработанных деталей, а также технологической оснастки и режущего инструмента. К ним относятся центральные склады (централизованное хранение) и пристаночные накопители малой емкости (децентрализованное хранение). Последние повышают эффективность многооперационных станков с ЧПУ при их автономном использовании, что особенно важно в случае выхода из строя отдельных подсистем ГПС.
Центральный склад выполняется в трех вариантах: в виде стеллажа-накопителя со штабелером, конвейера-накопителя и в комбинации первого со вторым. В последнем варианте связь между ними осуществляется специальной транспортной тележкой.
Стеллаж-накопитель может быть различного конструктивного исполнения: одно- и двусторонним, одно- и многоярусным. Обслуживание стеллажа осуществляется штабелером (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Стеллаж-накопитель со штабелёром
Конвейеры-накопители обычно выполняются замкнутыми цепными, роликовыми, ленточными и комбинированными роликоцепными.
Центральный склад помимо функций хранения выполняет функции выравнивания потоков заготовок и обработанных деталей. Это необходимо для сокращения времени обслуживания станков. Очередь требований, возникающих в системе, относится к центральному складу. Удовлетворение этой очереди осуществляется с учетом очередности поступления заявок или на основе заранее определенных приоритетов.
Наличие центрального склада обуславливает независимость друг от друга рабочих позиций, так как он может выполнять функции промежуточного накопителя при передаче заготовки с одного станка на другой.
Способы хранения заготовок в складе определяются их видом и принятой технологией обработки. При обработке корпусных деталей наибольшее распространение получила паллетизация. В этом случае заготовки устанавливаются вручную на универсальные приспособления-спутники (паллеты), имеющие базовую плиту с сеткой пазов и отверстий, предназначенных для установки сменных базирующих и зажимных элементов. Паллеты имеют два точных координатных отверстия, по которым осуществляется единая установка ее на рабочих позициях станков, работающих в ГПС. Использование паллет на 30…35% увеличивает стоимость складского модуля.
В настоящее время на некоторых зарубежных фирмах (в ФРГ) находят применение переналаживаемые приспособления с ЧПУ. В этих приспособлениях, жестко закрепленных на столах станков, переналадка базирующих и зажимных элементов осуществляется автоматически по заданной программе от ЭВМ. В этом случае отпадает надобность в паллетах, и корпусные детали устанавливаются в приспособление промышленным роботом (ПР).
Заготовки тел вращения хранятся в контейнерах или в магазинах. Внутри магазина устанавливаются поддоны, на которых на унифицированных элементах находятся заготовки. Поддоны в магазине хранятся штабелями. Магазин имеет привод, который выдвигает каждый поддон в отдельности для подачи его на тактовый стол для перемещения в зону, обслуживаемую ПР.
Складские модули обычно предусматривают хаотичное хранение, т.е. ячейки склада не закрепляются за каким-то определенным видом изделий или тары. Обычно емкость склада ГПС механической обработки составляет 100-150 паллет (магазинов).
§
Под транспортным модулем понимается транспорт, функционально связанный с основным и вспомогательным оборудованием ГПС и обеспечивающий перемещение заготовок, обработанных деталей, режущего инструмента, сменных агрегатов и узлов (например, многошпиндельных головок) и др. В состав транспортного модуля могут входить также устройства для подачи СОЖ, сбора и удаления стружки (отходов производства). Структура транспортного модуля приведена на рис. 4.2.
Рис.4.2. Структура транспортного модуля ГПС
Доминирующей задачей потока материалов является транспортирование заготовок и деталей, частично или полностью обработанных.
Следует отметить, что гибкость транспортной системы в значительной степени определяет гибкость всей ГПС.
Общее многообразие транспортных систем, применяемых в ГПС, можно классифицировать следующим образом (рис.4.3.).
В случае линейной структуры транспортной системы, например, в поточных линиях, заготовки от одной рабочей позиции к другой передаются с помощью транспортера в жесткой и неизменной последовательности. Для гибких технологических систем такая форма транспортной системы мало эффективна.
Замкнутая структура транспортной системы предполагает строго определенное замкнутое направление перемещения заготовок. Такая транспортная система осуществляется, как правило, с помощью роликовых транспортеров, втулочно-роликовых цепей и т.п. Гибкость системы в этом случае достигается тем, что при неблагоприятных условиях загрузки отдельных рабочих позиций, заготовки могут неоднократно циркулировать в ней. Однако это приводит к возрастанию времени транспортирования.
Рис. 4.3. Структура транспортной системы ГПС
Лучевая структура транспортной системы характеризуется произвольной последовательностью расположения позиций обработки и предполагает использование центрального склада. Возможности рассматриваемой структуры транспортной системы довольно высокие.
Сетевая структура транспортной системы обеспечивает доставку заготовок на рабочую позицию как через центральный склад, так и минуя его непосредственно с предыдущей позиции. Последнее обстоятельство особенно важно при обработке крупногабаритных и тяжелых деталей.
Рассматриваемая структура транспортных систем не исключает наличие промежуточного накопителя на каждой рабочей позиции.
Выбор той или иной структуры транспортной системы определяется характером обрабатываемых деталей, составом оборудования, производственными площадями, требуемой гибкостью ГПС и капитальными затратами. Наибольшими возможностями для ГПС располагают лучевая и особенно сетевая структура транспортной системы.
В качестве транспортирующих устройств используются рельсовые и самоходные тележки, различного рода краны и конвейеры. Использование в качестве транспорта конвейеров и рельсовых тележек ограничивает гибкость автоматизированной станочной системы. В настоящее время большинство ГПС строится на базе самоходных тележек (роботрайлеров, робокар).
По назначению робокары делятся на следующие виды:
– рабочая тележка для транспортирования грузов;
– тележка-тягач для перемещения груза в прицепных тележках;
– тележка-перекладчик, которая комплектуется механизмами, выполняющими загрузочно-разгрузочные операции в автоматическом режиме.
В состав робокара входят:
– платформа с приводом;
– система управления, включающая в себя бортовую ЭВМ;
– система слежения за движением и устройство путевого контроля;
– система сигнализации и обеспечения безопасности работы;
– аккумуляторная батарея;
– вспомогательная технологическая оснастка.
Маршрут перемещения робокар определяется системойнаведения – индукционной или фотоэлектрической. При индукционной системенаведениямаршрут задается проволочным проводником, заделанным в пол, по которому течет ток частоты от 5 до 32 Кгц. При фотоэлектрической системе наведения маршрут задается потоком света, отраженного от полосы фольги, наклеенной на пол. Точность позиционирования робокар составляет 1-4 мм.
§
Для автоматизации загрузочно-разгрузочных работ в установочном модуле ГПС предусмотрено следующее оборудование (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Оборудование установочного модуля
Устройствами передачи в ГПС служат стационарные столы с толкателями, поворотные столы, различные по конструкции конвейеры и т.д.
Автоматический прием заготовок и выдача обработанных деталей осуществляется с помощью специальных по конструкции столов станков или приспособлений, устанавливаемых на столы обычных станков.
Лекция 5
План:
1. Инструментальный модуль ГПС.
2. Модуль АСУ ГПС.
3. Контрольно-испытательный модуль.
1. Инструментальный модуль ГПС
Для эффективной работы ГПС в ней должна быть решена задача автоматизированного обеспечения станков режущим инструментом. Такая постановка задачи предполагает наличие в ГПС центрального склада инструментов, пристаночных инструментальных магазинов, транспортной системы доставки инструментов, а также участка подготовки инструментов к работе и системы контроля его работоспособности на станке (рис. 5.1).
Р
ис.5.1. Структура инструментального модуля
Стоимость инструментального обеспечения ГПС составляет около 20% всех затрат. Для уменьшения затрат необходимо стремиться к сокращению номенклатуры и числа используемых в ГПС инструментов. Этого можно добиться за счет реализации следующих мероприятий:
– замена нескольких (функционально одинаковых и различных) инструментов одним;
– замена фасонных инструментов формообразующими инструментами;
– принципиальные изменения конструкции деталей;
– конструктивно-технологическая унификация геометрических элементов деталей.
В настоящее время применительно к ГПС разработаны различные конструкции расточных оправок с автоматическим регулированием вылета резца с точностью до 0,005 мм, разверток, допускающих наложение фасок при обратном ходе и т.д.
Наиболее успешно вопросы инструментального обеспечения ГПС решаются в случаях, когда инструменты конструктивно компонуются по блочно-модульному принципу. Сейчас этот принцип реализован, как для фрезерно-сверлильно-расточного, так и для токарного инструмента (системы Сандвик-Коромант, Хертель, Видиа Крупп). Эти системы предполагают использование твердосплавных МНП с механическим креплением.
Следует отметить, что наличие в гибкой производственной системе центрального склада режущих инструментов имеет больше преимущества. Особенно это касается обработки широкого круга корпусных деталей, когда инструментов, установленных в магазине станка, может не хватать для обработки какой-либо конкретной заготовки.
Емкость центрального инструментального склада определяется номенклатурой обрабатываемых деталей, частотой использования инструментов и их стойкостью. Хранение инструментов в центральном складе осуществляется на специальных паллетах Что касается пристаночных магазинов, то их оптимальная емкость составляет 40…45 инструментов.
Доставка инструментов из центрального склада на станок и их замена в пристаночных магазинах осуществляется с помощью промышленных роботов, робокар и т.д.
При работе в автоматическом режиме особое значение приобретает вопрос определения работоспособности режущих инструментов. Этот сложный вопрос решают с помощью специальных приспособлений для контроля состояния инструмента и определения поломок, работа которых основана на различных методах: контроль тока в цепи главного привода, контактное ощупывание, контроль режущей кромки лазерным и инфракрасным излучением и т.д.
Модуль АСУ ГПС
В систему управления (СУ) ГПС входят аппаратные и программные средства. Управление ГПС осуществляется на основе ЧПУ мини- и микро-ЭВМ, микропроцессорами и программируемыми командоаппаратами. Система управления, как правило, имеет несколько уровней (табл. 5.1) и может настраиваться на различные режимы работы: запуск, наладочный, рабочий, плановый останов и т. д.
Таблица 5.1
Уровни управления ГПС
| Уровень управления | Управляющее оборудование | Масштаб управления |
| Верхний | Мини – ЭВМ с расширенной памятью или средняя ЭВМ. | Управление системой, оптимизация работы, диспетчирование, хранение массивов данных. |
| Средний | Несколько мини-ЭВМ с меньшей памятью | Управление материальными потоками, взаимосвязь работы модулей ГПС. |
| Нижний | Микро-ЭВМ, микропроцессоры, УЧПУ, командоаппараты. | Автономное управление модулями ГПС и технологическим оборудованием. |
| Начальный | Датчики, конечные выключатели. | Слежение за состоянием работы оборудования, параметрами технологического процесса. |
Программное обеспечение АСУ ГПС состоит из главной управляющей программы (ГУП) и десяти подпрограмм, каждая из которых выполняет определенные функции (табл.5.2). Главная программа осуществляет координацию работы подсистем.
Таблица 5.2
Подсистемы программного обеспечения АСУ ГПС
| № n/n | Выполняемые функции |
| 1. | Управление запуском оборудования ГПС |
| 2. | Корректировка и восстановление информационных массивов |
| 3. | Управление технологическим оборудованием |
| 4. | Управление системой транспортирования деталей |
| 5. | Управление системой транспортирования инструмента |
| 6. | Управление наладочными режимами |
| 7. | Управление плановым остановом |
| 8. | Формирование информационных массивов и их редактирование |
| 9. | Подготовка и вывод информации на АЦПУ и дисплей |
| 10. | Ввод, хранение и редактирование УП обработки |
В соответствии с функциональным различием программного обеспечения в АСУ ГПС выделяют две большие подсистемы(рис.5.1):
– технического управления;
– организационного управления.
Рис.5.1. Подсистемы управления ГПС
Техническая подсистема реализует управление геометрической и технологической информацией. Она управляет процессами формообразования и настройки оборудования, осуществляет адаптивное управление обработкой и техническое диагностирование модулей ГПС.
Организационная подсистема реагирует управление ходом всего рабочего процесса ГПС во времени. Основными функциями данной подсистемы являются учет и контроль состояния деталей и заготовок, оптимизация маршрута обработки по сложившейся ситуации, управление материальным потоком заготовок, инструментов и деталей (диспетчирование), накопление и редактирование библиотеки управляющих программ обработки.
СУ ГПС может быть информационно связана с АСТПП и АСУП.
Совокупность ГПС и АСТПП и АСУП образует концепцию интегрированного производства, именуемого за рубежом CAD-CAM.