В данных лекциях описаны пути повышения производительности и эффективности производства. Изложены такие вопросы, как системы ЧПУ, автоматические линии, автоматизация сборки и контроля. Рассмотрены перспектив­ные направления автоматизации: промышленные роботы, робото­технологические комплексы и гибкие производственные системы.

Для студентов средних профессиональных учебных заведений.

 

ВВЕДЕНИЕ.

Слово «автоматизация» происходит от греческого слова «автоматос», что означает «самодвижущийся». Мы понимаем тер­мин «автоматизация» не как дословный перевод греческого сло­ва «автоматос», а как такую операцию производственного про­цесса, в которой все действия, необходимые для ее выполнения, включая и управление протеканием процесса, происходят без непосредственного участия человека. Человек только налажива­ет устройства и контролирует их работу. Автоматизации процессов предшествовали работы ученых и практиков, создавших различные автоматы как для выполнения определенных действий, так и для развлекательных целей. В начале I в. н.э. Герои Александрийский в работах «Пневматика» и «Ме­ханика» привел описание автоматов, созданных им и его учителем Ктесибием: пневматического автомата для открывания дверей храма и зажигания жертвенного огня; водяного органа; прибора для автоматического измерения длины дороги, напоминающего таксометр; автомата для продажи «священной» воды — прообра­за автоматов для продажи жидкостей; механического театра ку­кол. Идеи Герона не нашли широкого применения в его эпоху.

В середине I в. создаются автоматы, подражающие опреде­ленным действиям человека. В XIII в. немецкий философ-схо­ласт и алхимик Альберт фон Больштадт построил «железного человека» — механизм для открывания и закрывания дверей. В XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри со­здали механического писца, выводившего гусиным пером фра­зы на бумаге; механического художника, рисовавшего головки и фигурки людей; механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии музыкальную пьесу. Дро были заключены в тюрь­му инквизиторами по обвинению в колдовстве. В XVIII в. рус­ский механик-самоучка И.П. Кулибин создал «театр автоматов», помещенный в часах величиной с яйцо. Каждый час в корпусе часов распахивались дверцы и можно было увидеть движущи­еся под музыку фигурки. «Театр» этот хранится в Государствен­ном Эрмитаже в Петербурге.В  конце XVIII — начале XIX в. в Европе в эпоху промышлен­ного переворота автоматику начинают внедрять в производство. В 1765 г. появляется автоматический регулятор уровня воды в котле паровой машины И. И. Ползунова, в 1784 г. — регулятор скорости паровой машины Д. Уатта, в 1804— 1808 гг. — система программного управления ткацким станком от перфоленты Жаккарда. Этот этап развития автоматики, длившийся более полутора столетий, сыграл огромную роль в науке и технике и привел к выявлению ряда основных принципов автоматики, позволивших ускоренными темпами автоматизировать произ­водственные процессы в машиностроении.

 

Глава 1

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

  • Основные понятия и определения

Под автоматизацией технологических процессов понима­ют применение энергии неживой природы в технологическом процессе или его составных частях для выполнения и управле­ния ими без непосредственного участия человека, осуществля­емое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства, повышения объема выпуска и качества продук­ции. Функции человека — контроль за работой машины, устра­нение отклонений от заданного процесса (подналадка), налад­ка автоматизированной машины на обработку другого изделия. При этом человек не должен принимать участие в изготовлении каждого изделия, а в освобожденное время на него возлагаются функции обслуживания ряда автоматов. Рабочий получает вы­сокую квалификацию и становится наладчиком, стирается грань между рабочим и инженерно-техническим работником.

У автоматически работающей машины различают рабочие и холостые ходы. Последние состоят из вспомогательных перехо­дов и вспомогательных ходов. При рабочих ходах движение ча­стей машины приводит к непосредственной обработке, напри­мер снятию стружки, накатыванию поверхности и т. п. При вспомогательных переходах движение частей машин служит для подачи, установки и закрепления заготовки, раскрепления и снятия готовой детали, переключения скоростей и подач, вклю­чения и выключения станка и т. п. При вспомогательных ходах движения частей машин служат для подвода и отвода обрабаты­вающего инструмента.

В машиностроении широко используют полуавтоматы и ав­томаты. В полуавтоматах цикл работы машины автоматический, т. е. в станках автоматизирован подвод инструментов с ускорен­ной подачей, переключение ускоренной подачи на рабочую, работа на рабочей подаче до выхода инструмента (перебег), пе­реключение с рабочей подачи на ускоренную обратную, оста­новка суппорта (стола) в конце обратного хода. Цикл может быть повторен (произведена разгрузка готовой детали, загрузка и закрепление новой заготовки, включение подачи станка) толь­ко при воздействии рабочего. В автоматах все рабочие и вспо­могательные переходы и ходы осуществляются без участия ра­бочего. В них не автоматизированы вспомогательные переходы по контролю, подналадке и наладке автоматов. Инженерно-тех­ническим работникам предприятий необходимо проводить ра­боту по автоматизации контроля, подналадки и наладки, чтобы и от этих функций освободить человека.

В ГОСТах Единой системы технологической подготовки про­изводства предусматривается качественная и количественная оценки состояния автоматизации технологических процессов. Качественную оценку производят по трем показателям: виду, ступени, категории.

По виду различают частичную и полную, единичную и ком­плексную, первичную и вторичную автоматизацию.

Под частичной автоматизацией понимают автоматизацию технологических процессов или их систем, при которой часть затрат энергии людей заменена затратами энергии неживой природы, включая управление.

Под полной автоматизацией понимают автоматизацию тех­нологических процессов и их систем, при которой все затраты людей заменены затратами неживой природы, исключая управ­ление при механизации и включая его при автоматизации.

Под единичной автоматизацией понимают частичную или полную автоматизацию одной первичной составной части тех­нологических процессов или системы технологических процес­сов, включая управление при автоматизации. Например, в то­карной операции автоматизирована загрузка или разгрузка де­талей; автоматизирована одна из пяти операций обработки де­талей и т. п.

Под комплексной автоматизацией понимают частичную или полную автоматизацию двух или более первичных состав­ных частей технологического процесса или системы технологи­ческих процессов, включая управление при автоматизации. В случае автоматизации всех без исключения первичных состав­ных частей получают полнокомплексную автоматизацию. На­пример, все пять операций технологического процесса автома­тизированы.

При автоматизации не всех первичных частей получают час­тичную автоматизацию. Например, три из пяти операций авто­матизированы. Следует стремиться к комплексной автоматиза­ции.

Автоматизация проводится часто в несколько этапов. Под первичной автоматизацией понимают автоматизацию техно­логических процессов или их систем, в которых до проведения автоматизации использовалась только энергия людей. Под вто­ричной автоматизацией понимают автоматизацию технологи­ческих процессов или их систем, в которых до ее проведения использовалась энергия людей, а также неживой природы. На­пример, заменены автоматические контрольные устройства, установленные на станке на более совершенные, обеспечива­ющие большую точность и производительность, при более дли­тельном сроке эксплуатации устройства.

Технический прогресс основан не только на первичной авто­матизации, но и на вторичной, являющейся овеществленной мыслью ученых и практиков в результате обобщения опыта эксплуатации автоматизированных систем.

Ступень внедрения автоматизации от одной операции до всей промышленности по ГОСТу обозначается цифрами от 1 до 10: 1 — единичная технологическая операция; 2 — законченный технологический процесс; 3 — система технологических процес­сов, выполняемых на производственном участке (отделении); 4 — система технологических процессов, выполняемых в пределах цеха (в системе участков); 5 — система технологических процес­сов, выполняемых в пределах группы технологически однород­ных цехов; 6 — система технологических процессов, выполнен­ных в пределах предприятия (в системе групп цехов); 7 — сис­тема технологических процессов, выполняемых в пределах про­изводственных фирм или научно-производственных объедине­ний (в системе отдельных предприятий); 8 — система техноло­гических процессов, выполняемых в пределах территориально­экономического региона (в системе отдельных фирм объедине­ний); 9 — система технологических процессов, выполняемых в пределах отрасли промышленности (в системе регионов); 10 — система технологических процессов, выполняемых на уровне промышленности всей страны (в системе отраслей).

При автоматизации процессов часть штучного времени Тшт на выполнение процесса производится машиной без участия рабочего Тм и часть времени — с участием рабочего Тр. Отно­шение машинного времени Тм к общему времени выполнения операции процесса Тшт называют коэффициентом автомати­зации.

В него входит время рабочих, а иногда и холостых ходов, не перекрываемых ручным временем, например быстрый подвод инструмента к детали (вспомогательный ход) на автомате или подача прутка в рабочую зону и его закрепление на прутковом автомате (вспомогательные переходы). Чем меньше времени затрачивается на вспомогательные переходы и ходы, тем боль­ше производительность станка.

Для повышения коэффициента автоматизации нужно сокра­щать время на заточку, смену, установку и регулирование инст­румента, на ремонт и регулирование механизмов машины (стан­ка), на заправку материала или заготовки, уборку отходов, сда­чу готовых деталей, ликвидацию брака вследствие нарушения настройки станка, подготовку к сдаче и сдачу станков в конце смены и т. п. Чем выше коэффициент автоматизации, тем мень­ше участие рабочего в операции.

  • Производственный и технологический процессы

Под термином «процесс» понимается упорядоченное взаимо­действие между продуктом природы и трудом, направленное на получение требуемого результата.

Производство имеет два смысловых значения. Первое соот­носится с понятиями «предприятие», «завод», «фабрика», «уча­сток» и другими, а второе — с понятием «процесс», например производственный процесс, или процесс производства. Рас­смотрим смысл первого понятия.

Производство — технико-организационное подразделение труда, предназначенного для получения продуктов труда. Оче­видно, что более конкретное определение производства зависит от структурного иерархического уровня данного подразделения и его предметной содержательности.

Характеристика производства включает в себя следующую информацию о нем:

  • номенклатура продукции (станок, узел, деталь и др.);
  • объем продукции и режим ее выпуска;
  • вид процесса (механическая обработка, сборка, термообра­ботка и др.);
  • элементный состав (цех, участок, отдел, службы и др.);
  • функции подразделений, структура их взаимодействия, иерархия подчиненности и степень автономности;
  • согласованная по структурным уровням и элементам сис­тема качественных, количественных, экономических и других показателей.

Кроме того, имеют значение сведения о среде функциониро­вания, степени автоматизации, непрерывности и др. Обычно производство характеризуется по основному виду производимой им продукции: машиностроительный завод, цех корпусных де­талей, участок зубчатых колес, отделение гальванических по­крытий и др.

Производственный процесс — это совокупность действий, необходимых для выпуска готовых изделий из полуфабрикатов или связанных с функционированием производственного под­разделения. Любое производство имеет иерархическую структу­ру, а следовательно, и процессы, происходящие в нем, также должны иметь аналогичную структуру. Таким образом, можно го­ворить о производственном процессе целого завода или его цеха, отдела, службы, участка, вплоть до самой мелкой структурной еди­ницы в виде технологической системы, станка, установки.

К основным этапам производственного процесса могут быть отнесены следующие: получение и складирование заготовок, доставка их к рабочим позициям (местам), различные виды обработки, перемещение полуфабрикатов между рабочими по­зициями (местами), контроль качества, хранение на складах, сборка изделий, испытание, регулировка, окраска, отделка, упа­ковка и отправка. Различные этапы производственного процес­са на машиностроительном заводе могут выполняться в отдель­ных цехах или в одном цехе. В первом случае производственный процесс изготовления продукции делят на части и соответствен­но называют производственным процессом, выполняемым, на­пример, в заготовительном, сборочном, механическом цехах и т.д. Во втором случае процесс называют комплексным произ­водственным.

Технологический процесс — это совокупность действий, свя­занных с обеспечением требуемых выходных параметров данно­го процесса.

Технологический процесс является основной частью произ­водственного процесса, поэтому можно говорить о наличии тех­нологического процесса у любого подразделения данной произ­водственной системы независимо от того, выполняет ли оно основные или вспомогательные функции по отношению к так называемому основному продукту производства.

Действительно, любое производство имеет свою организаци­онную структуру в виде функциональных подразделений: цехи, отделы, службы, участки и др.

Технологический процесс также имеет определенную струк­туру элементов. Изначально эти элементы относились к облас­ти механической обработки. В настоящее время им необходи­мо придавать более общий смысл, охватывающий весь спектр методов технологического воздействия: термическую обработку, химическую обработку, сборку, а также транспортирование, складирование и др.

Определим содержание технико-организационных элементов производственного процесса.

Рабочий ход (для технологических методов воздействия, пре­образующих свойства предмета труда) — однократное техноло­гически непрерывное воздействие, формирующее требуемые параметры данной детали (шероховатость, твердость, качество поверхностного слоя и др.)* В общем случае это некоторый эле­ментарный законченный технологический цикл с определенны­ми (постоянными или переменными) параметрами инструмен­та, кинематики формирования поверхности или соединения, параметрами технологических сред (нагрева, охлаждения, хими­ческой обработки и др.).

Аналогичным элементом для сборочного процесса является соединение — технологически непрерывный цикл формирова­ния соединения двух деталей.

Технологический переход — это технологически непрерыв­ный упорядоченный комплекс рабочих ходов, образующих за­конченную часть технологической операции, формирующий конечные требуемые качественные характеристики данной по­верхности детали или данного соединения. Выполняется одни­ми и теми же средствами технологического оснащения при по­стоянных технологических режимах и установке.

Рабочие ходы внутри одного перехода технологически упоря­дочены. Например, нарезать резьбу в отверстии можно только после получения этого отверстия.

Прием — законченная совокупность действий, направлен­ных на выполнение технологического перехода или его части и объединенных одним целевым назначением. Например, переход «установить заготовку» состоит из следующих приемов: взять заготовку из тары, переместить к приспособлению, установить в приспособление и закрепить.

Установ — процесс придания требуемого положения и при необходимости закрепления заготовки (детали) в приспособле­нии или на основном оборудовании. Он отражает варианты объединения разных переходов на данном оборудовании.

Технологическая операция — организационно обособленная часть маршрута со всеми сопутствующими ей вспомогательны­ми элементами процесса, реализуемая на определенном техно­логическом оборудовании с участием или без участия людей. На операцию обычно разрабатывается вся основная технологиче­ская документация.

Маршрут — упорядоченная последовательность качествен­ных преобразований предметов труда в продукт труда. Напри­мер, заготовки в деталь или последовательность получения из комплекта деталей сборочной единицы. Это конкретный вари­ант сочетания технологических операций, который обеспечива­ет получение качественных характеристик детали или сбороч­ной единицы.

При нарушении условия техноло­гической непрерывности реализации элементов процесса происходит их разделение на части, относя­щиеся к тому же структурному уровню декомпозиции данного процесса.

Трудоемкость операции — количество времени, затрачива­емого рабочим требуемой квалификации при нормальной ин­тенсивности труда и условиях на выполнение технологического процесса или его части. Единица измерения — человекочас.

Для расчета занятости станков и их числа для выполнения данной работы служит понятие «станкоемкость». Станкоем­кость — время, в течение которого занят станок или другое оборудование на изготовление детали или изделия. Единица из­мерения — станкочас. Для сборочных машин используется по­казатель машиноемкости выполнения операции.

Для нормирования труда и планирования производственно­го процесса используется норма времени — время, установлен­ное рабочему или группе рабочих требуемой квалификации, необходимое для выполнения какой-либо операции или целого технологического процесса в нормальных производственных ус­ловиях с нормальной интенсивностью. Она измеряется в едини­цах времени с указанием квалификации работы, например 7 ч, работа 4-го разряда.

При нормировании малотрудоемких операций, измеряемых долями минуты, более ощутимое представление о затратах време­ни дает норма выработки — величина, обратная норме времени.

Норма выработки — установленное число изделий в едини­цу времени (ч, мин). Единицей измерения является количество продукции в стандартных мерах (шт., кг и др.) в единицу вре­мени, с указанием квалификации работы, например 1000 шт. в 1 ч, работа 5-го разряда.

Производственный цикл — промежуток календарного вре­мени, определяющий длительность периодически повторя­ющихся процессов изготовления изделия от запуска в производ­ство до получения готового изделия.

Программа выпуска — число штук изделия заданной номен­клатуры или число стандартных мер некоторой продукции, под­лежащей изготовлению в установленную календарную единицу времени.

Объем выпуска — число изделий, подлежащих изготовлению в установленную календарную единицу времени (год, квартал, мес).

Серия — общее число изделий, подлежащих изготовлению по неизменяемым чертежам.

Партия запуска — число штук заготовок или комплектов де­талей, одновременно запущенных в производство.

Такт выпуска — промежуток времени, через который пери­одически производится выпуск машин, их сборочных единиц, деталей или заготовок определенного наименования, типораз­меров и исполнения. Если говорят, что машину изготовляют с тактом 3 мин, то это значит, что через каждые 3 мин завод вы­пускает машину.

Ритм выпуска — величина, обратная такту выпуска.

Одним из показателей эффективности производственной деятельности подразделения завода (цеха, производственного участка) является производительность производственного про­цесса, осуществляемого им. Значение этого показателя зависит не только от производительности оборудования и труда рабочих, но и от уровня организации, планирования производственного процесса и управления им. Действительно, возможности высо­копроизводительных станков и труд рабочих не будут использо­ваны полностью, если своевременно не будут поставлены заго­товки, режущий инструмент и необходимая техническая доку­ментация, если не будет слаженности в работе всех звеньев про­изводственной системы.

Производительность производственного процесса — это интегральный показатель деятельности всего трудового коллек­тива, непосредственно участвующего в изготовлении установ­ленной номенклатуры изделий. Этим показателем наиболее удобно пользоваться при оценке эффективности автоматизиро­ванного производственного процесса, при выполнении которо­го непосредственное участие основных рабочих минимально, но возрастает роль вспомогательного персонала завода, обеспечи­вающего функционирование технологических процессов изго­товления продукции.

Производительность производственного процесса оценива­ется объемом продукции, измеряемым в штуках, тоннах, рублях, произведенной в единицу времени.

Повышение производительности производственного процес­са может быть достигнуто тремя способами.

Первый способ заключается в интенсификации, т.е. в увеличении режимов технологических процессов и их совмеще­ния по времени выполнения. Например, в процессе обработки заготовки на станке производится замена инструмента, подвоз новых заготовок и др.

Второй способ состоит в увеличении продолжительно­сти работы производственной системы, естественный предел — 24 ч в сут, что соответствует трехсменной работе. Это направ­ление приобретает все большее значение в связи с резким ус­ложнением и удорожанием производственного оборудования.

При этом следует учитывать серьезные социальные проблемы, относящиеся к негативным сторонам режима многосменной работы людей. Успешное решение этих проблем видится в ком­плексной автоматизации всех производственных процессов. Очевидно, что это выдвигает серьезные научные и технические задачи, связанные с автономной работой производственных систем в автоматическом режиме и вопросами надежности и бе­зотказности производственных систем.

Третий способ заключается в увеличении производя­щей способности производственной системы за счет внутрен­них резервов: улучшение организации ее работы и расширение технологических возможностей оборудования. Это реализуется путем модернизации существующего оборудования или приоб­ретения нового оборудования, повышения производительности труда производственного персонала за счет использования со­вершенных методов и способов сокращения цикла изготовле­ния изделия. Например, оптимизация раскроя деталей из лис­тового материала, изыскание приемов повышения точности обработки приводят к сокращению числа рабочих ходов и даже устранению дальнейшей обработки изделий на другом станке.

  • Типы и виды производства

Различие в программе выпуска изделий привело к условно­му разделению производства на три типа: единичное, серийное и массовое.

Единичное производство — изготовление единичных непов­торяющихся экземпляров продукции или с малым объемом вы­пуска, что аналогично признаку неповторяемости технологиче­ского цикла в данном производстве. Продукция единичного про­изводства — это изделия, не имеющие широкого применения (опытные образцы машин, тяжелые прессы и т. п.).

Серийное производство — периодическое технологически непрерывное изготовление некоторого количества одинаковой продукции в течение продолжительного промежутка календар­ного времени. Производство изделий осуществляется партиями. В зависимости от объема выпуска этот тип производства под­разделяют на мелко-, средне- и крупносерийное. Примерами продукции серийного производства могут служить металлоре­жущие станки, насосы, редукторы, выпускаемые периодически повторяющимися партиями.

Массовое производство — технологически и организацион­но непрерывное производство узкой номенклатуры изделий в больших объемах по неизменяемым чертежам в течение дли­тельного времени, когда на большинстве рабочих мест выпол­няется одна и та же операция. Продукцией массового производ­ства являются автомобили, трактора, электродвигатели и т. п.

Отнесение производства к тому или иному типу определяет­ся не только объемом выпуска, но и особенностями самих из­делий. Например, изготовление опытных образцов наручных часов в количестве нескольких тысяч штук в год будет представ­лять единичное производство. В то же время изготовление теп­ловозов при объеме выпуска нескольких штук можно считать серийным производством.

Об условности деления производств на три типа свидетель­ствует и то, что обычно на одном и том же заводе, а нередко в одном и том же цехе, одни изделия изготовляются единицами, другие — периодически повторяющимися партиями, третьи — непрерывно.

ГОСТ рекомендует следующие значения коэффициентов за­крепления операций в зависимости от типов производства: для единичного производства — свыше 40; для мелкосерийного про­изводства — свыше 20 до 40 включительно; для среднесерийно­го производства — свыше 10 до 20 включительно; для крупно­серийного производства — свыше 1 до 10 включительно; для массового производства — 1.

Таким образом, тип производства с организационной точки зрения характеризуется средним числом операций, выполня­емых на одном рабочем месте, а это, в свою очередь, определя­ет степень специализации и особенности используемого обору­дования.

В зависимости от области использования производство под­разделяется на два вида: поточное и непоточное.

 

Ориентировочные данные для определения типа производства

Производство

Число обрабатываемых деталей одного типоразмера в год

Тяжелых (массой более 100 кг)

Средних (массой более 10 до 100 кг)

Легких

(массой до 10 кг)

Единичное

До 5

До 10

До 100

Мелкосерийное

5... 100

10... 200

100... 500

Среднесерийное

100... 300

200 ...500

500... 5000

Круп носерийное

300... 1000

500... 5000

5000... 50 000

Массовое

Более 1000

Более 5000

Более 50 000

 

 

 

Поточное производство характеризуется его непрерывно­стью и равномерностью. В поточном производстве заготовка после завершения первой операции без задержки передается на вторую операцию, затем на третью и т.д., а изготовленная де­таль сразу же поступает на сборку. Таким образом, изготовле­ние деталей и сборка изделий находятся в постоянном движе­нии, причем скорость этого движения подчинена такту выпус­ка в определенный промежуток времени.

Непоточное производство характеризуется неравномерным движением полуфабриката в процессе изготовления изделия, т.е. технологический процесс изготовления изделия прерывает­ся вследствие различной продолжительности выполнения опе­раций, а полуфабрикаты накапливаются у рабочих мест и на складах. Сборку изделий начинают лишь при наличии на скла­дах полных комплектов деталей. В непоточном производстве отсутствует такт выпуска, а производственный процесс регули­руется графиком, составленным с учетом плановых сроков и трудоемкости изготовления изделий.

Каждый вид производства имеет свою область использова­ния. Поточный вид организации производства встречается в массовом производстве, а непоточный присущ единичному и серийному производствам.

  • Основные преимущества автоматизации производства

Под автоматизацией производственных процессов (АПП) понимают комплекс технических мероприятий по разработ­ке новых прогрессивных технологических процессов и созданию на их основе высокопроизводительного оборудования, выполняющего все основные и вспомогательные операции по изготовлению изделий без непосредственного участия челове­ка. АПП является комплексной конструктивно-технологиче­ской и экономической задачей создания принципиально новой техники.

Автоматизации всегда предшествовал процесс механизации — частичной (первичной) автоматизации производственных про­цессов на базе такого технологического оборудования, которым управляет оператор. Кроме того, он осуществляет контроль из­делий, регулировку и наладку оборудования, загрузку-выгрузку изделий, т.е. вспомогательные операции. Механизация может достаточно эффективно сочетаться с автоматизацией конкрет­ного производства, но именно АПП создает возможность обес­печения высокого качества продукции при высокой производи­тельности ее изготовления.

Автомат (от гр. automates — самодействующий) — самосто­ятельно действующее устройство или совокупность устройств, выполняющих по заданной программе без непосредственного участия человека процессы получения, преобразования, пере­дачи и использования энергии, материалов и информации.

Последовательность выполняемых автоматом запрограмми­рованных действий называют рабочим циклом. Если для во­зобновления рабочего цикла требуется вмешательство рабоче­го, то такое устройство называют полуавтоматом.

Процесс, оборудование или производство, не требующее присутствия человека в течение определенного промежутка вре­мени для выполнения ряда повторяющихся рабочих циклов, называют автоматическим. Если часть процесса выполняется автоматически, а другая часть требует присутствия оператора, то такой процесс называют автоматизированным.

Степень автоматизации производственного процесса опреде­ляется необходимой долей участия оператора в управлении этим процессом. При полной автоматизации присутствия человека в течение определенного периода времени вообще не требуется. Чем больше это время, тем выше степень автоматизации.

Под безлюдным режимом работы понимают такую степень автоматизации, при которой станок, производственный учас­ток, цех или весь завод может работать автоматически в течение по крайней мере одной производственной смены (8 ч) в отсут­ствие человека.

Технические преимущества автоматически управляемых про­изводственных систем по сравнению с аналогичными система­ми с ручным управлением следующие: более высокое быстро­действие, позволяющее повышать скорости протекания процес­сов, а следовательно, и производительность производственного оборудования; более высокое и стабильное качество управления процессами, обеспечивающее высокое качество продукции при более экономном расходовании материалов и энергии; возмож­ность работы автоматов в тяжелых, вредных и опасных для че­ловека условиях; стабильность ритма работы, возможность дли­тельной работы без перерывов вследствие отсутствия утомля­емости, свойственной человеку.

Экономические преимущества, достигаемые при использова­нии автоматических систем в производстве, являются следстви­ем технических преимуществ. К ним можно отнести возмож­ность значительного повышения производительности труда; более экономичное использование ресурсов (труда, материалов, энергии); более высокое и стабильное качество продукции; со­кращение периода времени от начала проектирования до полу­чения изделия; возможность расширения производства без уве­личения трудовых ресурсов.

Автоматизация производства позволяет более экономично использовать труд, материалы, энергию. Автоматическое плани­рование и оперативное управление производством обеспечива­ют оптимальные организационные решения, сокращают запа­сы незавершенного производства. Автоматическое регулирова­ние процесса предотвращает потери вследствие поломок инст­рументов и вынужденных простоев оборудования. Автоматиза­ция проектирования и изготовления продукции с использова­нием ЭВМ позволяет значительно сократить число бумажных документов (чертежей, схем, графиков, описания и др.), необ­ходимых в неавтоматизированном производстве, составление, хранение, передача и использование которых занимает много времени.

Автоматизированное производство нуждается в более квали­фицированном, технически грамотном обслуживании. При этом значительно меняется сам характер труда, связанного с на­ладкой, ремонтом, программированием и организацией работ в автоматизированном производстве. Эта работа требует более глубоких и разносторонних знаний, более разнообразна и ин­тересна.

От уровня развития производства зависит прогресс всех от­раслей промышленности. Поэтому повышению эффективности производства и уровня автоматизации производства должна отводиться приоритетная роль.

 

Глава 2

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

2.1. Основные положения теории производительности машин и труда

В основе теории производительности машин и труда лежат следующие основные положения.

  1. Каждая работа для своего совершения требует затрат вре­мени и труда.
  2. Производительно затраченным считается только то время, которое расходуется на основные процессы обработки (напри­мер, формообразование, контроль, сборку и т.д.). Все остальное время, включая время на вспомогательные (холостые) ходы ра­бочего цикла и внецикловые простои, является непроизводи­тельно затраченным, т. е. потерями.
  3. Машина считается идеальной, если при высоком потенци­але производительности, качестве продукции отсутствуют поте­ри времени на холостые ходы и простои (машина непрерывно­го действия, бесконечной долговечности и абсолютной надеж­ности).
  4. Для производства любых изделий необходимы затраты прошлого (овеществленного) труда на создание средств произ­водства и поддержание их работоспособности и живого труда на непосредственное обслуживание технологического оборудова­ния.
  5. Закономерность развития техники заключается в том, что удельный вес затрат прошлого (овеществленного) труда непре­рывно повышается, а затраты живого труда снижаются при об­щем уменьшении трудовых затрат, приходящихся на единицу продукции.
  6. При разработке технологических процессов любой процесс производства, взятый сам по себе, безотносительно к руке че­ловека, следует разлагать на составные элементы.
  7. Производительность машин предела не имеет.
  8. Автоматы и автоматические линии различного технологи­ческого назначения имеют единую основу автоматизации, кото­рая выражается в общности целевых механизмов и систем уп­равления, в общих закономерностях производительности, на­дежности, экономической эффективности, в единых методах построения машин, агрегатирования, определения режимов обработки, оценки прогрессивности и т.д.
  9. При окончательной оценке прогрессивности новой техни­ки учитывается фактор времени — темп роста производитель­ности труда.

Важнейшим фактором производительности труда являются затраты труда на создание, обслуживание и эксплуатацию рабо­чей машины.

Производительность общественного труда оценивается путем сопоставления результатов трудового процесса: количества вы­пущенной продукции с суммарными трудовыми затратами, необходимыми для ее выпуска за некоторый интервал времени.

Так как единовременные трудовые затраты на оборудование, здания и сооружения реализуются постепенно в течение срока службы, производительность труда определяется с учетом фак­тора времени, прежде всего сроков службы.

При практических расчетах размерность производительности труда зависит от того, в каких единицах исчисляются выпущен­ная продукция и трудовые затраты.

Выпущенная годная продукция измеряется либо в физиче­ских величинах (штуки, единицы длины, массы, объема и др.), либо в стоимостном выражении (рубли). Суммарные трудовые затраты выражаются либо в единицах абстрактного труда (чело­векочасы, человекодни и т. п.), либо в денежном выражении (рубли). В соответствии с этим при расчетах производитель­ность труда может иметь различную размерность, например: [шт./чел.-ч.].

Количество выпущенной продукции зависит от того, сколь­ко лет работает оборудование.

Уровень производительности труда при малых сроках служ­бы относительно невысок, поскольку на сравнительно малый объем выпущенной за это время продукции требуются значи­тельные затраты на средства производства. С ростом сроков службы производительность труда увеличивается, так как еди­новременные затраты овеществленного труда Тп раскладывают­ся в этом случае на больший объем выпущенной продукции.

Автоматизация производственных процессов является сред­ством, которое позволяет решать задачу повышения производи­тельности труда.

Характерным для современного этапа развития техники, в первую очередь для автоматизации производственных процес­сов, является рост производительности средств производства, увеличение их стоимости и сокращение числа людей, непосред­ственно занятых обслуживанием машин. Изменение текущих затрат прошлого труда на единицу изделия зависит от характе­ра производственного процесса и может находиться в широких пределах.

 

  • Основные пути повышения производительности

Теория производительности машин и труда позволяет коли­чественно связывать экономические критерии: рост производи­тельности общественного труда, сроки окупаемости и другие показатели с конкретными технико-экономическими показате­лями работы машин: производительностью и надежностью в работе, стоимостью и экономичностью в эксплуатации, срока­ми службы и сроками проектирования и т. д. Это позволяет ана­лизировать влияние различных факторов на производитель­ность труда и не только оценивать конкретные технические ре­шения, но и намечать наиболее эффективные пути повышения производительности труда, а следовательно, наиболее эффек­тивные направления технического прогресса, пути автоматиза­ции.

Автоматизация как основное направление технического про­гресса связана с улучшением тех или иных технических харак­теристик, что сопровождается ростом производительности тру­да. Однако улучшение различных технико-экономических пока­зателей оказывает неодинаковое влияние на производитель­ность труда. Количественный анализ факторов, определяющих производительность труда, позволяет выявить следующие ос­новные пути повышения производительности труда при автома­тизации производственных процессов.

Первый путь заключается в уменьшении затрат живого труда Тж за счет сокращения числа рабочих, непосредственно занятых в процессе производства. Это экономия дости­гается благодаря совершенствованию средств производства и управления, изменению организации труда, внедрению вычис­лительной техники и иных современных средств, позволяющих выполнять работу, которую раньше выполняли при обслужива­нии системы машин е человек.

Такой путь автоматизации является одним из са­мых распространенных, так как позволяет использовать суще­ствующий парк машин, расширяя фронт автоматизации, сокра­тить количество рабочих при обслуживании станков. Примера­ми реализации первого пути являются автоматические линии из типового (универсального) оборудования. Вместе с тем такой путь автоматизации имеет ограниченные возможности повыше­ния производительности труда, так как при сохранении данно­го уровня производительности оборудования экономия живого труда имеет тенденцию к убыванию, что можно проиллюстри­ровать следующим расчетом.

Автоматизация с целью сокращения затрат ручного труда может быть эффективной прежде всего в отраслях с низкой тех­нической оснащенностью, где еще велики затраты живого тру­да, а следовательно, и резервы экономии этих затрат. Создание автоматических линий на базе существующего поточного про­изводства, где один рабочий и без автоматизации обслуживает два-три станка, если эти линии опираются на существующие технологические процессы и имеют цель только сокращение числа рабочих-операторов и подсобных рабочих, малоэффек­тивно.

Второй путь заключается в сокращении затрат прошло­го труда за счет снижения стоимости средств производства. Этот путь связан с совершенствованием технологии про­изводства самих средств производства, стандартизацией и уни­фикацией механизмов, узлов и деталей машин, обеспечива­ющих снижение их себестоимости. Для этого пути характерно развитие агрегатного станкостроения, поточных методов произ­водства новых машин, а также унифицированных средств авто­матизации. Важнейшей задачей является создание универсаль­ных станков, пригодных как для самостоятельной эксплуатации, так и для встраивания в автоматические линии. Такие станки могут использоваться в автоматических линиях различного тех­нологического назначения, что позволяет наладить их выпуск в больших масштабах, применяя поточные методы производства, создавая стабильные конструкции, надежные в эксплуатации.

Если на первых этапах автоматизации унифицированными элементами являлись узлы и механизмы, из которых компону­ются станки различного технологического назначения, то теперь элементами компоновки служат уже встраиваемые станки и унифицированные транспортные средства, что позволяет созда­вать автоматические линии с меньшими затратами в кратчай­шие сроки. Унификация и стандартизация оборудования позво­ляет не только уменьшить стоимость оборудования, но и значи­тельно сократить сроки его проектирования и освоения и тем самым повысить производительность общественного труда.

Третий путь заключается в сокращении затрат живого и прошлого труда за счет повышения производительности средств производства, а следовательно, сокращения трудовых затрат на единицу изделия. Это достигается путем разработ­ки новых прогрессивных технологических процессов и создания высокопроизводительных средств производства.

Известно немало примеров, когда уровень существующего производства исчерпывал свои возможности и это неизбежно

вызывало появление новых методов производства, новой технологии и новых высокопроизводительных средств производства.

Коренная ломка старых, привычных методов производства, рождение и развитие новых прогрессивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства — радикальный путь повышения производительности труда.

Таким образом, генеральным направлением автоматизации является разработка новых, прогрессивных технологических процессов и создание таких высокопроизводительных средств производства, которые вообще невозможны, пока человек ос­тается непосредственным участником выполнения технологи­ческого процесса.

  • Экономическая эффективность и прогрессивность новой техники

Лучшие варианты проектируемых машин, автоматических линий, цехов и заводов, в том числе с обоснованием целесооб­разного уровня автоматизации, определяются путем различных инженерных решений. Современные технические науки явля­ются фундаментом при проектировании машин и определении их параметров на основе расчетов: кинематических, прочност­ных, динамических, на виброустойчивость, долговечность, на­дежность и т. п. Однако при этом еще неизвестно, насколько данная выбранная или проектируемая машина экономически будет эффективной. Машина, удовлетворяющая всем техниче­ским требованиям, может оказаться не эффективной и не про­грессивной, так как конструктивная сложность и затраты на ее создание даже при минимуме эксплуатационных затрат не обес­печат требуемого уровня экономии труда за срок ее службы по сравнению с существующей техникой.

Технический прогресс и экономическая эффективность про­изводства — это две неразрывно связанные взаимообусловли­вающие проблемы, которые не могут быть решены изолирова­но, обособлено друг от друга.

Важнейшим критерием экономической эффективности ка­питаловложений является рост производительности труда, дос­тигаемый в результате внедрения новой техники.

Расчеты сравнительной экономической эффективности ка­питальных вложений применяются при сопоставлении различ­ных вариантов хозяйственных и технических решений, разме­щения предприятий и их комплексов, при решении задач по выбору взаимозаменяемой продукции, внедрению новых видов техники и т.д.

Целью инженерных методов сравнительной оценки экономи­ческой эффективности капиталовложений и новой техники яв­ляется не только подсчет чисто экономических показателей, а выбор таких параметров проектируемых машин, которые явля­ются экономически оптимальными и обеспечивают наиболь­ший экономический эффект внедрения новой техники.

С понятием экономической эффективности новой техники тесно связано понятие ее прогрессивности. Прогрессивность новой техники определяется со­ответствием ее главному целево­му назначению.

Главным целевым назначени­ем новой техники является не только повышение производи­тельности, но и облегчение усло­вий труда. При этом прогрессив­ной является техника, не только обеспечивающая рост произво­дительности труда, но и такая, которая соответствует научно обоснованным заданным темпам ее повышения и при этом облег­чает труд человека. На основе сложившихся представлений кри­терий прогрессивности новой техники отражает следующие пока­затели:

  • рост производительности труда;
  • постоянный рост требований к новой технике на основе объективных законов развития производительных сил. Чем поз­же вводится в эксплуатацию новая машина, тем менее она про­грессивна при тех же технических характеристиках;
  • фактор времени. Любая самая совершенная конструкция сегодняшнего дня, если сроки ее проектирования и освоения затягиваются, неизбежно оказывается морально устаревшей при проектировании. Любая прогрессивная техника в процессе эк­сплуатации не может оставаться прогрессивной вечно и мораль­но устаревает;
  • высокая эффективность капиталовложений на создание и внедрение новой техники.

Критерием прогрессивности новой техники является соот­ветствие фактических темпов роста производительности труда плановым, которые должны быть научно обоснованными, про­гнозируемыми.

Таким образом, по крите­рию эффективности капита­ловложений несмотря на за­держку с проектированием и освоением машина может счи­таться экономически эффек­тивной, хотя она за этот пери­од морально устаревает при проектировании. Высокая эф­фективность капиталовложе­ний является необходимым, но недостаточным условием прогрессивности новой техни­ки. Критерий  прогрессивнос-

ти более полно учитывает фактор времени и, как правило, от­ражает более высокий уровень требований к новой технике, чем критерии эффективности капиталовложений, не исключая, а дополняя их.

  • Мероприятия по повышению производительности труда и эффективности производства

Производительность труда играет большую роль в производ­стве. Производительность труда рабочих зависит от многих фак­торов, так как связана с деятельностью различных инженерно­технических служб предприятий, организаций отрасли и народ­ного хозяйства в целом. В пределах предприятия можно указать на три главных вида мероприятий, влияющих на возможность повышения производительности труда:

  • конструкторские;
  • организационные;
  • технологические.

Конструкторские мероприятия. Конструкторские мероп­риятия связаны с созданием технологичной конструкции изде­лия в целом и его отдельных элементов. По области проявления свойств технологичность конструкции изделия подразделяют производственную и эксплуатационную.

Производственная технологичность конструкции проявляет­ся в сокращении затрат времени на конструкторскую и техно­логическую подготовки производства и процессы изготовления изделия. Сокращение затрат времени, а следовательно, и трудо­емкости на всех стадиях — важнейший фактор повышения про­изводительности труда.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат средств и времени на техни­ческое обслуживание и ремонт изделия. На снижение трудоем­кости изготовления изделия влияют показатели технологично­сти конструкции, приведенные далее.

Применение стандартных и унифицированных частей изде­лия сокращает время на проектирование, позволяет использо­вать опыт, полученный при освоении ранее разработанных кон­струкций изделия, а также создает предпосылки для централи­зованного производства этих частей. Специализированное предприятие благодаря массовому или крупносерийному произ­водству позволяет с большим экономическим эффектом приме­нить прогрессивные технологические процессы, автоматизиро­ванное оборудование и высокопроизводительную оснастку, что не только снижает затраты живого труда, но и значительно сни­жает себестоимость продукции.

Стандарт — образец, эталон или комплекс норм, правил, требований к объекту, утверждаемый компетентными органами. Существуют государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ) стандар­ты и стандарты предприятий (СТП). Стандарты обязательны к применению.

Унификация — рациональное сокращение числа объектов одинакового функционального назначения (типоразмеров, форм, марок и др.). Это один из методов стандартизации, не­обязательный к применению.

Стандартизация и унификация частей изделия приводят к полной или частичной взаимозаменяемости, что облегчает тех­ническое обслуживание и ремонт изделия.

Применение ограниченного числа различных материалов упрощает процесс материально-технического снабжения, скла­дирования, перемещения и изготовления деталей. При обработ­ке деталей из одного и того же материала не требуется изменять режимы обработки так часто, как при обработке деталей из раз­ных материалов.

Материалы по возможности должны выбираться недефицит­ные, легко обрабатываемые, дешевые, позволяющие получать из них точные и высококачественные заготовки.

Труднее обрабатывать другие виды поверхностей. Желательно, чтобы поверхности были параллельны или перпендикулярны обрабатывающему инструменту. Наличие у детали поверхностей с идентичными размерами, квалитетами и шероховатостью, с одинаковыми резьбовыми, шлицевыми и зубчатыми поверхно­стями, радиусами сопряжения и другими элементами позволя­ет обрабатывать их одними и теми же инструментами, на одних и тех же станках, с одними и теми же наладками и режимами обработки. Таким образом, не расходуется время на замену ин­струментов и переналадку станков, т. е. повышается производи­тельность.

Мероприятия, направленные на устранение прямых по­терь времени. Рациональная организация и планирование про­изводственных процессов позволяют выполнять работу на каж­дом рабочем месте так, чтобы простои оборудования и рабочих были минимальными, что существенным образом влияет на повышение производительности труда. Главными факторами организационного порядка, способствующими повышению производительности труда, являются следующие.

  1. Улучшение календарного планирования. Каждое рабочее место нужно своевременно обеспечить заготовками, инструмен­тами и другой технологической оснасткой в необходимом коли­честве и в определенное время. Для сборочных операций это означает подачу из механических цехов комплекта всех собира­емых деталей. В механических цехах изготовление деталей в малом количестве связано с частой переналадкой станков из-за замены деталей. За время переналадки продукция со станка не снимается, при этом уменьшается производительность оборудо­вания и рабочего. Правильное планирование дает возможность определить оптимальные размеры партий обрабатываемых де­талей, что позволяет уменьшить число переналадок станков и добиться бесперебойной подачи деталей на сборку из создава­емых заделов деталей.
  2. Закрепление за станком одних и тех же обрабатываемых деталей. Вместо того чтобы использовать для обработки не­сколько станков, целесообразно на одном станке обрабатывать как можно больше одинаковых деталей. При этом у рабочего появляется навык, он быстрее выполняет необходимые движе­ния для управления процессом и не затрачивает время на налад­ку нескольких станков. Появляется возможность перевести об­работку деталей на более производительное оборудование, ис­пользовать прогрессивную высокопроизводительную оснастку, механизировать и автоматизировать операцию.
  3. Улучшение организации рабочего места, способствующее уменьшению числа движений рабочего, требуемых для выпол­нения операции (расположение стеллажей у станка, освещения и др.).
  4. Улучшение обслуживания рабочего места, своевременное выполнение плана-графика, обеспечение рабочего места заго­товками и технической оснасткой, создание необходимых гиги­енических условий и др.
  5. Организация централизованной заточки инструмента, по­зволяющая останавливать оборудование только для замены и подналадки износившегося инструмента.
  6. Организация автоматической уборки стружки во время процесса обработки.
  7. Организация автоматического управления производством, позволяющая своевременно реагировать на многие факторы, приводящие к простоям оборудования. Например, автоматиче­ское оповещение о необходимости подачи заготовок, если на рабочем месте их количество уменьшилось до определенного значения, автоматическое оповещение механика о простое обо­рудования из-за поломки, автоматический учет числа изготов­ленной продукции, брака, незавершенной продукции на задан­ный момент времени и др.

Автоматизированные системы управления производством (АСУП) позволяют значительно повысить производительность труда в результате замены ряда работников машинами. Инфор­мация, получаемая от каждого станка или машины, быстро пе­рерабатывается на электронных вычислительных машинах (ЭВМ) и подается руководителям смен, цехов и предприятия в целом для сведения и руководства.

  1. Механизация и автоматизация инженерно-технических работ по подготовке производства, приводящая не только к со­кращению труда инженерно-технических работников предпри­ятия, но и к своевременному получению необходимой докумен­тации для каждого рабочего места (технологические карты, чер­тежи и др.).

Условия, вызывающие необходимость автоматизации.

При автоматизации рабочий освобождается от ряда однообраз­ных, часто повторяющихся движений, связанных с выполнени­ем операции, но в его функции вводится наладка оборудования и контроль за его работой. В освобождаемое время рабочему поручается обслуживание дополнительного оборудования.

Автоматизация создает предпосылки для повышения произ­водительности труда рабочих и оборудования, улучшения каче­ства изделий, их надежности и долговечности, обеспечения бе­зопасности работ. Однако требуются дополнительные капита­ловложения для их внедрения. Поэтому не всегда разработан­ные процессы автоматизации конструкции автоматических ус­тройств могут обеспечить экономическую целесообразность замены ими труда рабочего.

Автоматизацию внедряют в производственные процессы в следующих случаях.

  1. Угроза для жизни рабочего (например, работа с радиоак­тивными элементами, измерение температуры деталей в шахт­ной печи и др.). В этих случаях средства для проведения авто­матизации процессов берут из сумм, отпускаемых на охрану труда, или из спецфондов.
  2. Экономический эффект обеспечивается за счет повыше­ния производительности труда и оборудования, улучшения ка­чества, снижения брака и, следовательно, уменьшения расхода основных материалов и других затрат, сокращения расхода энергии и вспомогательных материалов, уменьшения расходов на содержание зданий и сооружений, уменьшения площади, занятой автоматами.
  3. Замена тяжелого и монотонного физического труда.

Прежде чем внедрять автоматизацию, необходимо провести

технико-экономические расчеты и дать обоснования их целесо­образности, которые проводят в определенной последователь­ности.

 

 

Глава 3

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ - ОСНОВА
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА

3.1 Типовые и групповые технологические процессы

Типизация технологических процессов для сходных по кон­фигурации и технологическим особенностям групп деталей пре­дусматривает их изготовление по одинаковым ТП, основанным на применении наиболее совершенных методов обработки и обеспечивающим достижение наивысшей производительности, экономичности и качества. Основа типизации — правила обра­ботки отдельных элементарных поверхностей и правила назна­чения очередности обработки этих поверхностей.

Типизация ТП и метод групповой обработки деталей. Про­ведение типизации ТП для сходных по конфигурации и техноло­гическим особенностям деталей предусматривает их изготовле­ние по одинаковым ТП, основанным на применении наиболее совершенных методов обработки и обеспечивающим достижение требуемой производительности, экономичности и качества.

Типовые процессы разрабатываются на изготовление в кон­кретных производственных условиях типовых представителей групп изделий, обладающих общими конструктивно-технологи­ческими признаками. К типовым представителям относят те изделия, обработка которых требует наибольшего числа опера­ций, характерных для изделий рассматриваемых групп. Типовые

ТП находят применение, главным образом, в крупносерийном и массовом производствах.

Типизация ТП является одним из основных направлений технологической унификации наряду с групповым методом об­работки деталей. Групповые ТП получили распространение в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производств. Частично их применяют в крупносерийном и массовом произ­водствах для деталей с коротким производственным циклом.

К классификационным признакам деталей относятся: кон­фигурация (форма), размер, точность и качество обработанных поверхностей, материал. Конечная цель классификации деталей — установление ти­пов деталей, т. е. совокупностей сходных деталей, имеющих в данных производственных условиях общий технологический процесс. Целью же разработки типовых технологических про­цессов является систематизация ТП для обработки однотипных деталей.

Типовые ТП разрабатываются как для конкретных производ­ственных условий (оперативный типовой процесс), так и для перспективного развития производства — перспективный типо­вой ТП, предусматривающий дальнейшее совершенствование производства с учетом развития науки и техники в области тех­нологии.

Создание типовых ТП позволяет избегать повторных и новых разработок при проектировании рабочих ТП, что ведет к сокра­щению времени на технологическую подготовку производства и особенно эффективно при использовании ЭВМ на стадии тех­нологических разработок.

Групповые ТП — второе направление унификации ТП, впер­вые предложенное и разработанное проф. С. П. Митрофановым. Они нашли широкое применение в различных отраслях про­мышленности. За основу метода, так же как и при типизации ТП, принимают технологическую классификацию деталей, за­канчивающуюся формированием групп. Однако построение классификации деталей для групповой обработки существенно отличается от классификации деталей при типизации ТП. Если при типизации процессов в общий класс объединяют детали и заготовки по принципу общности их конфигурации, технологи­ческого маршрута, отдельных операций, то при групповой об­работке основным признаком объединения деталей в группы по отдельным технологическим операциям является общность об­рабатываемых поверхностей или их сочетаний, т. е. общность оборудования, необходимого для обработки детали или отдель­ных ее поверхностей.

При формировании групп деталей учитывают следующие признаки: общность обрабатываемых поверхностей, их точ­ность и шероховатость, однородность материала заготовок, бли­зость их размеров, позволяющая обрабатывать детали на одном и том же оборудовании в однотипных приспособлениях, серий­ность выпуска и трудоемкость обработки деталей. В условиях единичного и мелкосерийного производств в группы объединя­ют до 60...80 деталей. Проводят экономический расчет размеров групп и разрабатывают схему групповой наладки каждого стан­ка для наиболее сложной заготовки группы, включающей в себя все поверхности, встречающиеся у остальных заготовок. Если у сложных заготовок отсутствуют поверхности, характерные для других, более простых заготовок, то эти поверхности искусст­венно добавляются в чертежи. Такая усложненная деталь назы­вается комплексной. В настоящее время групповые процессы разрабатываются для обработки деталей на токарных автоматах, револьверных, агрегатных и многооперационных станках («об­рабатывающих центрах»).

Типизация ТП, методы групповой обработки деталей позво­ляют не только существенно сократить трудоемкость техноло­гической подготовки производства, снизить затраты на обору­дование и оснастку, но и обеспечить максимальную загрузку станков (загрузка станков с ЧПУ повышается в 2,4 раза), повы­сить серийность деталей.

3.2 Особенности проектирования технологических процессов изготовления деталей на автоматических линиях и станках с ЧПУ

Автоматическая линия (АЛ) — это непрерывно действу­ющий комплекс взаимосвязанного оборудования и системы уп­равления, требующий полной временной синхронизации опе­раций и переходов. Наиболее эффективными методами синхро­низации являются концентрация и дифференциация ТП.

Дифференциация технологического процесса, упрощение и синхронизация переходов — необходимые условия надежности и производительности. Однако есть свои рациональные преде­лы дифференциации ТП и упрощения переходов. Чрезмерная дифференциация приводит к усложнению обслуживающего оборудования, увеличению площадей и объема обслуживания.

Целесообразная концентрация операций и переходов, может быть осуществлена путем агрегатирования, применения много­инструментальных наладок.

Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) обес­печивают высокую степень автоматизации и широкую универ­сальность, резко сокращая путь от чертежа до готовой детали в условиях как единичного, так и серийного производства.

Станки с ЧПУ дают высокую точность и качество изделий и могут использоваться при обработке сложных деталей с точны­ми ступенчатыми или криволинейными контурами. При этом снижается себестоимость обработки, квалификация и число обслуживающего персонала. Автоматизация подготовки уп­равляющих программ (УП) делает возможным автоматизиро­вать весь комплекс работ: от проектирования до изготовления и контроля.

Особенности обработки деталей на станках с ЧПУ определя­ются особенностями самих станков и, в первую очередь, их си­стемами ЧПУ, которые обеспечивают:

  • сокращение времени наладки и переналадки оборудования, включая время программирования обработки, что весьма важ­но для работы переналаживаемых АПС;
  • увеличение сложности циклов обработки, что в наибольшей степени реализуется на многооперационных станках с ЧПУ (об­рабатывающих центрах) при обработке сложных деталей со многими обрабатываемыми поверхностями;
  • возможность реализации ходов цикла со сложной траекто­рией, что позволяет обрабатывать детали любой сложности;
  • возможность унификации систем управления станков с СУ другого оборудования, например промышленных роботов (ПР), транспортеров, накопителей, автоматизированных складов, что позволяет использовать станки с ЧПУ в составе АПС и реали­зовать в этих автоматизированных производственных системах роботизированные ТП;
  • возможность использования ЭВМ для управления станка­ми с ЧПУ, входящими в состав АПС, что позволяет значитель­но расширить технологические возможности всей АПС, увели­чить сложность и номенклатуру деталей, обрабатываемых в АПС, автоматизировать и оптимизировать разработку маршрут­ной и операционной технологий, транспортно-технологических схем роботизированных процессов.

 

3.3 Основные требования к технологии и организации механической обработки в переналаживаемых АПС

Для разработки технологии в АПС характерен комплексный подход — детальная проработка не только основных, но и вспо­могательных операций и переходов, включая транспортировку изделий, контроль, складирование, испытания, упаковку.

В силу необходимости и возможности быстрой переналадки при серийном и мелкосерийном производствах в АПС для каж­дой возможной детали (изделия) или для типоразмера должна быть разработана подробная технология изготовления с возмож­ными отклонениями, созданы специальные или универсальные приспособления, в том числе спутниковые. Условия транспор­тировки, контроля, испытания, упаковки должны быть соответ­ствующим образом определены и запрограммированы. Это не­обходимо для обеспечения быстрого перехода с одного изделия на другое — буквально в течение суток или смены. Детальная проработка всего ТП предполагает широкую унификацию кон­структивно-технологических элементов обрабатываемых дета­лей для обеспечения возможности смешанного агрегатирования операций и оборудования.

Для стабилизации и повышения надежности обработки при­меняют два основных метода построения ТП:

  • использование оборудования, обеспечивающего надежную обработку почти без участия оператора;
  • регулирование параметров ТП на основе контроля изделий в ходе самого процесса.

Для повышения гибкости и эффективности в АПС исполь­зуют принцип групповой технологии, позволяющий обрабаты­вать на одном и том же оборудовании большую группу разно­типных деталей с минимальными затратами на переналадку.

Указанные методы реализованы при создании технологии обработки основных типовых деталей: корпусных и в форме тел вращения.

При обработке корпусных деталей предпочтение отдается многоинструментальным станкам с ЧПУ типа «обрабатыва­ющий центр».

Обработка деталей в форме тел вращения проводится в ос­новном на токарных станках с ЧПУ и гибких модулях на их основе. Для улучшения качества обработки широко применяют проверенную в конкретных производственных условиях типи­зированную операционную технологию (ТОТ).

Для создания ТОТ всю поверхность заготовки представляют в виде основных и дополнительных поверхностей. Основные поверхности: цилиндрические, конические поверхности с кри­волинейными образующими, неглубокие канавки. Дополни­тельные поверхности: канавки на внутренних и наружных по­верхностях, резьбовые поверхности.

При изготовлении деталей крупными сериями в форме тел вращения на токарных станках имеют место следующие особен­ности:

  • увеличение производительности за счет широкого примене­ния комбинированного инструмента;
  • использование осевого мерного инструмента (развертки, зенкеры);
  • упрощение траекторий перемещения инструментов;
  • сокращение числа поверхностей, обрабатываемых одним режущим элементом (резцом), переход к многоинструменталь­ным наладкам последовательного и параллельного действия.

3.4 Особенности разработки технологических процессов автоматизированной и роботизированной сборки

Автоматизированная сборка изделий выполняется на сбороч­ных автоматах и АЛ. Важным условием разработки рациональ­ного ТП автоматизированной сборки является унификация и нормализация соединений, т.е. приведение их к определенной номенклатуре видов и точностей. На основе унификации и нор­мализации соединений в сборочных единицах и изделиях раз­рабатывают типовые сборочные процессы (операции и перехо­ды), выполняемые на типовом сборочном оборудовании с ис­пользованием типовых инструментов и приспособлений.

Главным отличием роботизированного производства являет­ся замена сборщиков сборочными роботами и выполнение кон­троля контрольными роботами или автоматическими конт­рольными устройствами.

Если в условиях автоматизированного производства сборка изделий может выполняться методом полной или частичной взаимозаменяемости, с применением методов селективной сборки и использованием контрольно-сортировочных автома­тов, а также с ограниченным применением метода пригонки и регулировки, то роботизированная сборка должна выполнять­ся по принципу полной или групповой взаимозаменяемости. Исключается возможность подгонки, регулировки. Строго долж­ны быть соблюдены принципы выбора и постоянства баз, ко­торые определяют качество собираемых изделий и надежность работы сборочных роботизированных технологических комп­лексов (РТК).

Выполнение операций сборки должно проходить от просто­го к сложному: детали — в подузлы, подузлы — в узлы, узлы — в агрегаты и агрегаты — в изделие. В зависимости от сложности и габаритных размеров изделий выбирают форму организации сборки: стационарную или конвейерную. Стационарная сбор­ка возможна без перемещения изделия, с подводом сборочных узлов и деталей к базовой сборочной единице (детали, узлу и т.д.). Конвейерная сборка возможна, когда роботы обслужива­ют рабочие места с различной ориентировкой и погрешностью позиционирования деталей и узлов.

При разработке ТП сборки в РТК предпочтительна высокая концентрация операций, определяющая модели роботов, их функции, точность, оперативность, быстродействие. Особенно важно уточнить временные связи элементов РТК, так как и они могут определить операционные возможности, модели и коли­чество сборочных промышленных роботов (ПР). С этой целью возможно построение циклограммы как отдельных роботизиро­ванных рабочих мест и ПР, так и всего РТК в целом. На основе операционной технологии и циклограмм РТК может быть про­ведена подготовка управляющих программ для сборочных робо­тов с ЧПУ и для всего РТК.

Перспективным направлением роботизации сборки являет­ся использование ПР, построенных по блочно-модульному принципу, а также обучаемых ПР.

3.5 Выбор технологического оборудования и промышленных роботов для автоматизированного производства

Выбор технических средств для АП — один из важнейших этапов, определяющих структурно-компоновочные решения, организационные и технологические возможности, эксплуата­ционные расходы и другие показатели производства.

Исходной информацией для выбора оборудования и про­мышленных роботов являются сведения об изготовляемых де­талях и организационно-технологических условиях их изготов­ления. Подбор и группирование деталей для изготовления на автоматизированном участке производится с учетом следующих характеристик:

  • конструктивно-технологическое подобие деталей, т.е. сход­ство по габаритным размерам, массе, конфигурации, характеру конструктивных элементов, требованиям к точности обработки и качеству обрабатываемых поверхностей, числу обрабатыва­емых поверхностей;
  • максимальная степень завершенности маршрута обработки деталей на автоматизированных участках (АУ) без прерывания маршрута обработки для выполнения каких-либо специфиче­ских операций (термообработки, доводки и др.);
  • подобие используемой оснастки и инструментов;
  • наличие у деталей четко выраженных признаков ориента­ции, однородных по форме и расположению поверхностей для базирования в приспособлениях-спутниках или захвата захват­ными устройствами ПР. Подобранная группа деталей с учетом годовой программы выпуска, размеров, частоты повторяемости каждого типоразмера и числа переналадок должна обеспечить загрузку оборудования при двух- или трехсменной работе.

На основе подобранной группы деталей с учетом видов об­работки и трудоемкости проводится выбор типа требуемого обо­рудования, приспособлений, промышленных роботов, характе­ра и маршрута транспортирования деталей. На этом этапе оп­ределяется компоновка автоматизированного производственно­го участка, проводится расчет вместимости автоматизированно­го склада, числа спутников, оптимизация пространственного расположения оборудования.

Для определения состава оборудования, включаемого в авто­матизированные переналаживаемые системы, необходима пока­зательная проработка ТП всех деталей, обрабатываемых в сис­теме. В первую очередь, разрабатывают ТП на деталь, имеющую наибольшее число обрабатываемых поверхностей; при этом намечают первоначальную специализацию оборудования и вы­являют необходимые технологические характеристики для обо­рудования с ЧПУ. Технологические процессы для остальных деталей группы строят в соответствии с принятым типовым маршрутом и с учетом намеченной специализации оборудова­ния.

Исходя из разработанных ТП выявляют технологические ха­рактеристики станков, на основании которых проводят подбор станков из имеющегося парка (в соответствии с каталогом стан­ков с ЧПУ) или разрабатывают и используют специализирован­ное оборудование с ЧПУ.

При подборе станков необходимо учитывать возможность их встройки в АПС. Для этого они должны иметь однотипные ав­томатические устройства для загрузки и закрепления спутников, одинаковые устройства ЧПУ и достаточную вместимость мага­зинов инструментов. Таким образом, в состав АПС включают станки с ЧПУ, параметры которых обеспечивают реализацию ТП обработки определенной группы деталей. Туда же могут встраиваться и универсальные станки или специализированное оборудование, не оснащенное ЧПУ, а также станки без уст­ройств для автоматической загрузки деталей.

Необходимое число основного оборудования проектируемо­го участка подсчитывают отдельно по номенклатуре и каждо­му типоразмеру с учетом затрат штучного времени Тшт по от­дельным операциям ТП, выполняемым на данном оборудова­нии, программы и номенклатуры выпускаемых деталей или из­делий.

 

3.6 Выбор основного технологического оборудования. Ана­лиз многообразия деталей, подлежащих автоматизированной обработке, и известных автоматизированных участков показы­вает, что можно выделить два основных типа производствен­ных участков, отличающихся оборудованием, средствами автоматического транспортирования, структурно-компоновоч­ными решениями: автоматизированные участки для изготовле­ния деталей типа тел вращения (например, валов) и корпусных деталей.

Технологически маршрут изготовления деталей типа тел вра­щения обычно состоит из предварительной или окончательной токарной обработки, сверлильно-фрезерных операций, термо­обработки и шлифования. Для автоматизированного изготовле­ния таких деталей неприемлем способ закрепления их в при­способлениях-спутниках. Это связано с тем, что детали типа тел вращения при обработке закрепляются в патронах и получают вращение вокруг оси. Поэтому основной путь автоматизации процесса изготовления деталей типа тел вращения — использо­вание станков с ЧПУ и ПР. Заготовки располагаются на призмах или в пазах в накопителях без жесткого закрепления.

Выбор токарных станков с ЧПУ проводится в зависимости от габаритных размеров и массы заготовок с корректировкой на точностные возможности оборудования.

Фрезерные, сверлильные, протяжные, зубообрабатывающие, шлифовальные станки дополняют токарные и выбираются в зависимости от технологических маршрутов изготовления дета­лей группы.

Автоматизированные участки для обработки корпусных де­талей в основном состоят из многооперационных станков с ЧПУ типа «обрабатывающий центр», объединенных системой автоматической транспортировки деталей с автоматизирован­ным складом. На автоматизированных участках также исполь­зуют координатно-измерительные, моечные машины и другое дополнительное оборудование.

Конструктивно-технологические характеристики корпусных деталей и рекомендуемые модели серийно изготавливаемых многооперационных станков с ЧПУ приведены в специальной таблице.

Корпусные детали в основном закрепляют в одноместных или многоместных приспособлениях-спутниках и транспорти­руют при помощи рольгангов или конвейеров между станками и автоматическим складом. Промышленные работы для транс­портирования корпусных деталей используются редко, только в

тех случаях, когда корпусные детали имеют небольшие габарит­ные размеры и развитые базы.

Приспособления-спутники имеют форму прямоугольной плиты, на верхней части которой закрепляются обрабатываемые детали, а нижняя часть имеет специальные пазы и отверстия для базирования на накопителях, транспортных средствах или ра­бочих столах станков. Таким образом, спутники имеют функ­цию не только станочных приспособлений, но и приспособле­ний для транспортирования и хранения деталей на складе.

 

3.7 Выбор промышленных роботов для обслуживания техно­логического оборудования. Промышленные роботы чаше все­го применяют для автоматизации загрузки-выгрузки изделий на технологическое оборудование, они могут выполнять также смену инструмента и контроль изделий на оборудовании. При­менение ПР выравнивает и стабилизирует работу оборудования, увеличивает загрузку оборудования, обеспечивает гибкость (бы­струю переналадку) при смене изделия, улучшает условия тру­да в автоматизированном производстве. При этом ПР должны иметь:

  • достаточный технический уровень для обслуживания слож­ного технологического оборудования;
  • соответствующие технические характеристики (грузоподъ­емность, скорость срабатывания, точность позиционирования, тип программного устройства);
  • стыкуемость с обслуживаемым оборудованием по всем па­раметрам;
  • высокую надежность, достаточную универсальность, малое время переналадки;
  • возможность повышения технико-экономических показате­лей обработки (низкий уровень брака, высокая производитель­ность).

При выборе ПР необходимо учитывать:

  • соответствие массы манипулируемого объекта грузоподъем­ности ПР;
  • соответствие зоны, в которой должно проводиться манипу­лирование, рабочей зоне робота;
  • соответствие траектории, скорости и точности движений кинематическим и точностным возможностям ПР;
  • возможность захватывания детали захватным устройством;
  • возможность построения траектории перемещения схвата робота между заданными точками в рабочей зоне.

Для автоматизированного участка целесообразно использо­вать группу однотипных ПР, так как упрощается их обслужива­ние и наладка. 3.8. Системы числового програмного управления металлорежущими станками

В металлорежущих станках широкое распространение полу­чило числовое программное управление. Согласно ГОСТ 20523 — 80 ЧПУ определяется как управление обработкой на станке по управляющей программе, в которой данные записа­ны в цифровой (числовой) форме. Управляющее устройство в ЧПУ называется устройством ЧПУ, а система, определяемая как совокупность функционально взаимосвязанных и взаимодей­ствующих технологических и программных средств, обеспечи­вающих ЧПУ, называется системой ЧПУ.

Использование ЧПУ особенно эффективно при мелкосерий­ном производстве и частой смене номенклатуры обрабатыва­емых деталей. В этом случае применение традиционных мето­дов автоматизации, характерных для крупносерийного и массо­вого производств, оказывается нецелесообразным, а обработка на универсальных станках, соответствующих единичному произ­водству, требует большой трудоемкости. Системы ЧПУ в станках позволяют повысить производительность и точность обработки, обеспечить гибкость производства, сократить сроки его подготов­ки и создать высокий технико-экономический эффект. Повыше­ние производительности труда обеспечивается за счет сокраще­ния вспомогательного и машинного времени обработки, автома­тизации установочных перемещений, исключения разметочных и измерительных работ. Точность обработки возрастает за счет уменьшения числа установок деталей при обработке, устранения ошибок оператора, возможных при ручной обработке. Примене­ние станков с ЧПУ экономически целесообразно при комплекс­ном оснащении ими участка, цеха, завода, особенно в тех случа­ях, когда производится сложная и разнообразная обработка, опе­рации по настройке занимают много времени, машинное время мало по сравнению с вспомогательным, обрабатываются слож­ные детали в условиях мелкосерийного производства, требуется сократить период освоения производства.

Современные системы ЧПУ содержат в своей структуре мик­роЭВМ и образуют производственные модули (технологиче­ские ячейки), автоматизированные участки, автоматические линии и др.

Системы ЧПУ металлорежущими станками классифициру­ются по различным признакам (рис. 9.7). По виду рабочих дви­жений станка системы ЧПУ могут быть разделены на позици­онные, контурные и комбинированные.

Позиционные системы ЧПУ позволяют производить относи­тельное перемещение инструмента и заготовки от одной точки (позиции) к другой. Такое управление используется в сверлиль­ных, расточных и других станках, на которых обработка выпол­няется после установки инструмента в заданной позиции. По­скольку основной задачей для таких систем является перемеще­ние инструмента (детали) в заданные координаты, их называют также системами координатного управления и управления по­ложением.

Контурные системы ЧПУ позволяют производить обработ­ку криволинейных поверхностей при фрезеровании, точении, шлифовании и других видах металлообработки. В этих системах программируется траектория перемещения режущего инстру­мента, поэтому их часто называют системами управления дви­жением.

Комбинированные системы ЧПУ представляют собой соче­тание позиционных и контурных и называются также универ­сальными. Они находят применение в многооперационных станках, где требуется позиционно-контурное управление.

При обозначении модели станка с ЧПУ, оснащенного пози­ционной системой, к ней добавляют индекс «Ф2», оснащенно­го контурной системой — индекс «ФЗ» и комбинированной — индекс «Ф4». Индекс «Ф1» в обозначении модели станка свиде­тельствует об оснащении станка цифровой индикацией и руч­ным управлением.

По характеру информации, записанной на программоноси­теле, различают системы непрерывные, дискретные и дискрет­но-непрерывные. В непрерывных системах программа записы­вается непрерывной. Если применяется система с фазовой мо­дуляцией, то программа представляется синусоидальным на­пряжением, фаза которого пропорциональна программиру­емым перемещениям; в системах с амплитудной модуляцией перемещениям пропорциональна амплитуда этого напряже­ния. В дискретных (импульсных) системах информация о пе­ремещениях задается соответствующим числом импульсов. Если механизм перемещения оснащен датчиком импульсов и для учета перемещения используется счетная схема, то систе­му называют счетно-импульсной. Если исполнительным уст­ройством является шаговый двигатель, то систему называют шагово-импульсной.

В импульсно-фазовых устройствах ЧПУ суммирование им­пульсов, задаваемых программой, производится в фазовом пре­образователе, выходной сигнал которого в виде угла сдвига фазы переменного напряжения пропорционален количеству импуль­сов программы.

По особенностям структуры системы ЧПУ разбиты на че­тыре группы, имеющие сокращенное международное обозна­чение: HNC, SNC, CNC, DNC. Системы HNC (Hand numerical control) представляют собой разновидность систем ЧПУ с руч­ным заданием программы с пульта управления. Системы SNC (Speicher numerical control) обладают памятью для хранения управляющих программ. Системы CNC (Computer numerical control) содержат в своем составе микроЭВМ для программи­рования алгоритмов работы и выполнения процесса управле­ния. Системы DNC (Direct numerical control) служат для пря­мого цифрового управления группой станков, осуществляя хранение программ и их выдачу по запросам станочных сис­тем ЧПУ типов SNC и CNC.

По изменению режимов обработки системы ЧПУ подразде­ляются на цикловые, программные и адаптивные. Цикловые системы осуществляют движения с повторяющимися циклами. В них применяется кулачковое, аппаратное, микропрограммное и программируемое управления. При кулачковом управлении используют для задания режимов штекерные панели, аппарат­ное управление осуществляют при помощи релейно-контактной или бесконтактной аппаратуры. Для микропрограммного управ­ления применяют запоминающие устройства микрокоманд, а программируемое управление режимами обработки основано на использовании средств программируемой логики.

В программных системах ЧПУ изменение режимов обработ­ки осуществляется программными средствами с использовани­ем программоносителя или памяти ЭВМ. Применение адаптив­ного управления позволяет производить автоматическое изме­нение режима обработки независимо от программы.

Числовое программное управление обеспечивает управление по нескольким координатам, поэтому его широко применяют на многооперационных станках (обрабатывающих центрах) с авто­матической сменой инструмента и обрабатываемых деталей.

Среди многооперационных станков наибольшее распростра­нение получили станки для обработки корпусных деталей. С по­мощью ЧПУ на них осуществляется перемещение заготовки по трем координатным осям, а на станках с поворотным столом осуществляется также и ее вращение. Многооперационные стан­ки снабжены специальными магазинами (до 100 и более), в ко­торых помещается режущий инструмент. Смена инструмента станка производится по команде от системы за 3...5 с.

Для оперативной смены обработанных деталей многоопера­ционные станки оснащают столами-спутниками. При обработ­ке заготовки на столе-спутнике, расположенном на столе стан­ка, на другом столе-спутнике, находящемся на вспомогатель­ном столе, меняют заготовку. Автоматическая смена столов- спутников по командам системы ЧПУ позволяет уменьшить в технологическом цикле время на установку и снятие детали до 30...45 с.

В системах с ЧПУ применяются линейные и круговые интер­поляторы, преобразующие информацию, заданную кодом про­граммы, в информацию, представленную в унитарном коде. Важной характеристикой устройств ЧПУ является дискретность задания и отработки перемещений, достигающая 0,001 мм (0,001°).

В настоящее время системами ЧПУ оснащаются практически все виды металлорежущих станков.

 

Технические данные и области применения систем ЧПУ

Таблица 9.1

Наименование системы ЧПУ (страна-разработ­чик)

Назначение

системы

Область применения

Число

управляемых

координат*

Тип интер­поляции

Дискрет­ность за­дания, мм

Число

инструмен­

тов

Ускоренная

подача,

мм/мин

НЗЗ 2М (СССР)

Контурная

Токарные, фрезер­ные станки, обраба­тывающие центры

3

Линейно­

круговая

100

4800

System 7 (фирма Fanue, Япония)

То же

Фрезерно-расточ­ные, обрабатыва­ющие центры

4/2

То же

0,001

 

15 000

Nucon 400 (фирма ASSEA, Швеция)

»

То же

4/3

»

0,001

 

15 000

2С 85 (Россия)

Контурно-

позицион­

ная

Работотехнические

комплексы

8

Линейная и круго­вая

0,001

99

15 000

2С 42-65 (Россия)

Контурная

Сверлильно-фре­

зерно-расточные

станки

4/3

То же

0,001

99

15 000

2Р 22-31 (Россия)

Контурно-

позицион­

ная

Токарные, шлифо­вальные станки

3/2

»

0,001

1

10 000

 

 

3.9.  Микропроцессоры и мини-ЭВМ в типовых структурах ЧПУ

Широкие возможности для построения устройств ЧПУ от­крывает применение микропроцессоров и миии-ЭВМ. Алго­ритм функционирования станка или группы станков зависит от сложности конфигурации обрабатываемой детали, получения требуемых точности обработки и шероховатости поверхности. Для решения задач обработки деталей простой конфигурации при невысоких требованиях к точности и качеству обработки алгоритм функционирования должен быть достаточно простым. Процессор ЭВМ в этом случае может быть выполнен на базе стандартных блоков, из которых создается управляющее устрой­ство. Оно воспроизводит модель управления станком, допуска­ет параллельное выполнение операций, реализующих несложные функции. Такие управляющие устройства получили название цифровых моделей. Промышленность выпускает такие системы ЧПУ типа Н22, НЗЗ, построенные на микроэлектронных элемен­тах. Они предназначены для управления станками и осуществля­ют позиционирование, прямоугольное и контурное (в плоскости) управление. Перестройка алгоритмов управления в таких сис­темах невозможна.

Более сложные алгоритмы функционирования требуют пере­работки большого объема технологической информации, учета многих факторов. Цифровая модель в этом случае существенно усложняется, параллельное выполнение функций управления отдельными операциями затрудняется, а иногда исключается вообще. В связи с этим необходимо управляющее устройство строить по принципу ЭВМ, где операции управления формиру­ются последовательно с помощью центрального арифметиче­ского устройства. Усложнение задач управления требует для об­работки сложных деталей с высокой точностью применения си­стем, построенных по принципу цифровой машины. Промыш­ленностью выпускаются такие устройства типа Н55, 2С 85 для уп­равления тремя и более координатами и для движения по слож­ной траектории (обработка поверхности типа гребных винтов).

Находят применение и гибридные системы, в которых часть операций выполняется аппаратным, а часть — программным способом.

Для специальных станков могут применяться модели с огра­ничением номенклатуры функций управления; для специализи­рованных станков, обрабатывающих сложные детали с неболь­шим количеством профилей, применяются устройства, постро­енные по принципу цифровых машин с небольшой оперативной памятью — системы с аппаратной реализацией функциональ­ных алгоритмов программного управления (АПУ).

Для решения более сложных задач: реализации большой но­менклатуры алгоритмов управления, программирования алго­ритмов управления, выполнения функций релейно-контактор­ного управления, самонастройки на оптимальный режим обра­ботки, компенсации кинематических погрешностей станка во время обработки, управления роботами и другими устройства­ми, обслуживающими станок, — применяются системы ЭВМ с программной реализацией функциональных алгоритмов (ППУ). В этом случае возможно управление группой станков от цент­рализованной ЭВМ.

 

 

ГЛАВА 4. АВТОМАТЫ И АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ

Основные определения

Машина. Машиной называется сочетание механизмов или устройств, осуществляющих определенные целесообразные дей­ствия для преобразования энергии или информации, а также для производства полезной работы.

Согласно этому определению можно выделить три основных класса машин: машины- двигатели, преобразующие один вид энергии в другой (электродвигатели, генераторы, турбины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.); вычислительные машины, служащие для преобразования информации (циф­ровые и аналоговые вычислительные машины), и машины- орудия, или рабочие машины, служащие для преобразования энергии в конкретную работу для «обработки» данного продук­та. С помощью рабочих машин производится изменение фор­мы, свойств, положения и состояния объектов труда. Всякая развитая рабочая машина состоит из двигательного, передаточ­ного и исполнительного механизмов.

Важнейшим в любой машине является исполнительный ме­ханизм, состав которого определяет и технологические возмож­ности, и степень универсальности, и наименование машины (токарный станок, установка очистки материалов, холодновы­садочный пресс, печатная машина и т.д.).

В любой машине процесс обработки совершается без учас­тия человека, рабочими орудиями в процессе обработки управ­ляет сама машина.

Рабочий цикл. Большинству рабочих машин свойственна цикличность в работе, т. е. периодическая повторяемость от­дельных действий и движений, связанная с выпуском дискрет­ной продукции. Наблюдая за работой таких машин, можно за­метить чередование рабочих движений исполнительных меха­низмов, производящих обработку, и вспомогательных движе­ний, не связанных непосредственно с технологическим воздей­ствием, но подготавливающих условия для него.

Рабочими ходами называют такие движения, благодаря ко­торым производится непосредственное технологическое воз­действие на обрабатываемый материал (обработка, контроль, сборка).

Холостыми ходами называются вспомогательные движения, которые служат для подготовки условий, необходимых для об­работки (подача заготовок, их зажим, подвод инструментов и т. д.). Некоторые рабочие и холостые ходы могут совмещаться во времени между собой.

За время рабочего цикла машина обычно выдает одно изде­лие или порцию изделий, т. е. каждый механизм за время цикла при обработке одного изделия, как правило, срабатывает один раз. Графически взаимная координация и последовательность выполнения всех элементов рабочего цикла иллюстрируются циклограммами.

Основным и достаточным условием для рабочей машины является самостоятельное выполнение рабочих ходов, а следо­вательно, наличие механизмов рабочих ходов.

Если машина, кроме того, производит самостоятельно и хо­лостые ходы, а также управление последовательностью отдель­ных движений, она представляет собой автоматическую рабо­чую машину.

Автомат. Автоматом называется самоуправляющаяся рабо­чая машина, которая при осуществлении технологического про­цесса самостоятельно производит все рабочие и холостые ходы рабочего цикла и нуждается лишь в контроле и наладке.

Таким образом, конструктивным признаком автомата явля­ется наличие полного комплекта механизмов рабочих и холос­тых ходов, осуществляющих все движения рабочего цикла, и механизмов управления, координирующих их работу.

Механизмы рабочих и холостых ходов, выполняющие отдель­ные элементы рабочего цикла, называются целевыми механиз­мами.

Степень автоматизации машины можно повысить путем вве­дения автоматических механизмов и устройств для регулирова­ния и стабилизации процессов обработки, контроля качества из­делий, замены и подналадки инструмента, уборки отходов и т.д. Если работа этих механизмов не связана непосредственно с рабочим циклом автомата, их называют внецикловыми меха­низмами.

Полуавтомат. Если в комплексе целевых механизмов авто­мата отсутствует один из основных его механиз­мов и этот элемент рабочего цикла выполняется вручную или с помощью средств механизации, то это есть полуавтоматическая рабочая машина. Полуавтоматом называется машина, работа­ющая с автоматическим циклом, для повторения которого тре­буется вмешательство рабочего. Такими неавтоматизируемыми операциями являются чаще всего загрузка заготовок и съем обработанных изделий, реже — ориентация изделий и их зажим.

К полуавтоматам относятся зуборезные станки (зубодолбеж­ные, зубофрезерные, зубострогальные). В них рабочий произ­водит вручную загрузку и закрепление заготовок в шпинделе, после чего нажатием кнопки включает автоматический цикл. Инструменты подходят к изделию и производят полный цикл нарезания всех зубьев при соответствующей координации всех рабочих движений; после обработки инструменты и механизмы отводят в исходное положение и станок самовыключается. При этом снимают готовую шестерню, закрепляют новую заготовку и цикл повторяется.

Одним из важнейших определяющих признаков современ­ных автоматов и полуавтоматов является тип системы управле­ния, которая реализует заданную программу работы, координи­рует работу всех механизмов и устройств машины в течение рабочего цикла и выполняет ряд дополнительных функций.

Исторически первыми развитыми были системы управления на механической основе, где программоносителем является рас­пределительный вал с кулачками, число которых соответствует количеству управляемых механизмов. Профиль каждого кулачка обеспечивает нужную скорость, фазу перемещений управляемого механизма; жесткое крепление кулачков на едином валу обеспе­чивает взаимную координацию действий рабочих органов.

Потребность в автоматизации обработки изделий со сложной конфигурацией (плоских и объемных) вызвала появление копи­ровальных систем управления, в которых программоносителя­ми являются уже не кулачки, а копиры, профиль которых пол­ностью соответствует профилю обрабатываемых изделий. На­ибольшее распространение в настоящее время получили следя­щие копировальные системы (электрокопировальные, гидроко­пировальные, фотокопировальные).

Во многих автоматах и полуавтоматах, а также автоматиче­ских линиях, особенно с гидравлическим и пневматическим приводами подачи целевых механизмов, применяется система управления, где программоносителями являются упоры, расста­новка которых определяет величину перемещений рабочих ор­ганов, переключение на различные режимы работы и т.д. Пе­редача и преобразование сигналов, поступающих от упоров, производится электрическим путем, через электросхему управ­ления станком или линией. В последнее время появляется тен­денция передачи этих функций непосредственно ЭВМ; при этом упоры остаются лишь как путевые датчики, сигнализиру­ющие о выполнении тех или иных рабочих или холостых пере­мещений.

Технически наиболее современными являются системы про­граммного управления, в которых программа работы автомата задается как система цифр, которые кодируются на магнитной ленте, перфоленте, а также может задаваться непосредственно на панели управления. Такие системы обладают высокой мо­бильностью и рядом других преимуществ; на их базе создаются автоматы самого различного назначения.

Принципы программного управления, отработанные приме­нительно к отдельным полуавтоматам и автоматам, все шире начинают применяться и при создании автоматических систем машин — автоматических линий, участков, цехов.

Автоматическая линия. Автоматической линией называ­ется автоматически действующая система машин, расположен­ных в технологической последовательности и объединенных общими средствами транспортировки, управления, накопления заделов, удаления отходов и др.

 

 

На рис. 10.3 учебника автора Шишмарева  представлена схема классификации механизмов автоматической линии, которая характеризуется общностью структуры автомата и автоматической линии как более совер­шенной рабочей машины, с более развитым исполнительным механизмом. Отдельные автоматы, встроенные в линию, явля­ются конструктивными элементами, выполняющими рабочие ходы, необходимые для выполнения технологических процессов обработки, контроля, сборки, т.е. выполняют те же функции, что и механизмы рабочих ходов в отдельном автомате. Холос­тые ходы в линиях выполняются механизмами межстаночной транспортировки, изменения ориентации, накопления заде­лов, удаления отходов и т.д. Система управления линии также выполняет более сложные функции, чем в отдельном автома­те, — не только координацию работы отдельных машин, меха­низмов и устройств при выполнении рабочего цикла линии, но и взаимной блокировки, отыскания неисправностей, сигнали­зации и т.д.

Автоматический цех. Автоматическим называется цех, в котором основные производственные процессы осуществляют­ся на автоматических линиях. Приведенная на рис. 10.4.учебника автора Шишмарева клас­сификация механизмов и систем автоматического цеха показы­вает, что он является дальнейшей, более высокой, ступенью развития рабочей машины, в которой элементами, выполня­ющими рабочие ходы, являются уже отдельные автоматические линии. Функции механизмов холостых ходов выполняют систе­мы межлинейной, межучастковой и межстаночной транспорти­ровки заготовок, обработанных изделий и собранных узлов, системы автоматического складирования. Функции управления автоматическим цехом осуществляются уже посредством авто­матических систем управления производством на базе вычисли­тельной техники.

Создание и внедрение автоматических цехов создают предпо­сылки перехода к высшей форме рабочей машины — автоматиче­скому заводу с комплексной автоматизацией всех производ­ственных процессов выпуска самой сложной машиностроитель­ной продукции.

Машины-автоматы

Первым этапом автоматизации производственных процессов явилась автоматизация рабочего цикла машины, создание ма­шин-автоматов и полуавтоматов. На этом этапе основной кон­структорской задачей является создание автоматически действу­ющих механизмов холостых ходов и управления рабочим цик­лом.

Все бесконечное разнообразие конструкций и компоновок современных рабочих машин можно классифицировать по не­скольким признакам, среди которых важнейшими являются:

  • технологическое назначение — токарные, шлифовальные, сборочные, намоточные, ткацкие, печатные, упаковочные и т. п.;
  • степень универсальности — универсальные, специализиро­ванные и специальные;
  • степень автоматизации — машины с ручным управлением, полуавтоматы и автоматы.

Для обработки одних и тех же изделий, как правило, могут быть спроектированы или использованы различные варианты машин, отличающиеся друг от друга степенью автоматизации, универсальностью, количеством позиций, принципом действия и т.д. Они отличаются технико-экономическими показателями, которые являются критериями их сравнительной оценки. Ос­новными из них являются: производительность, надежность в работе, стоимость, количество обслуживающих рабочих, себе­стоимость эксплуатации.

Развитие автоматизации неизбежно связано с улучшением одних показателей, прежде всего с повышением производитель­ности машин и сокращением количества обслуживающих рабо­чих, и ухудшением других: увеличением стоимости, ремонто­сложности, усложнением наладки и обслуживания.

Универсальные автоматы превышают по производительности неавтоматизированные станки во много раз благодаря исполь­зованию принципов совмещения отдельных рабочих и холостых ходов между собой.

Поэтому универсальные автоматы типичны для крупносе­рийного производства и массового производства с быстрой за­меной объектов обработки, они широко применяются в различ­ных отраслях машиностроения и приборостроении.

В условиях массового производства стабильной продукции отпадает необходимость в переналадке оборудования. При этом, как правило, весьма велики и масштабы выпуска, а следователь­но, требования к производительности технологического обо­рудования, отсюда появление третьей группы машин — специ­ализированных и специальных автоматов и полуавтоматов.

Специализированными называются рабочие машины, кото­рые можно переналадить на обработку узкой группы однотип­ных изделий. Специальные станки, автоматы, полуавтоматы и автоматические линии проектируются в расчете на изготовле­ние конкретного изделия.

Любое специальное оборудование в той или иной степени является уникальным, что заставляет при проектировании по­стоянно искать новые оригинальные конструктивные и компо­новочные решения, отработка и доводка которых требуют зна­чительного времени. Поэтому общими недостатками специали­зированных и специальных автоматов и полуавтоматов являют­ся не только высокая стоимость и недостаточная надежность, но и длительные сроки поставки новых машин. На проектирова­ние, изготовление, отладку и освоение новых оригинальных машин требуется, как правило, несколько лет, в течение кото­рых объект производства может устареть. Между тем при смене обрабатываемых изделий подавляющее большинство специаль­ного оборудования оказывается непригодным и подлежит спи­санию или модернизации.

Устранить противоречия между растущими требованиями к производительности и мобильности оборудования можно толь­ко путем создания машин, сочетающих высокую производитель­ность с широкими технологическими возможностями, коротки­ми сроками проектирования и освоения. Это достигается в том случае, если новые специальные автоматы и полуавтоматы не проектируются каждый раз заново, а компонуются на базе ти­повых механизмов и устройств, которые можно унифицировать подобно тому, как унифицируют крепежные изделия, подшип­ники, электродвигатели и др.

 

                              Автоматические линии

Второй этап автоматизации — автоматизация системы ма­шин. Создание автоматических линий охватывает решение та­ких конструкторских задач, как создание механизмов межста­ночной транспортировки, изменения ориентации, накопления заделов, а также систем управления машинными комплексами.

В настоящее время линии из агрегатных станков получили широкое применение в различных отраслях машиностроения для изделий, неподвижных при обработке, главным образом, корпусных изделий (блоки цилиндров и головки блока цилинд­ров двигателей, корпуса электродвигателей, редукторов и пере­даточных механизмов, картеры коробок перемены передач), а также шатунов, коленчатых валов, базовых деталей гидро- и пневмоаппаратуры и т. п.

Автоматические линии из агрегатных станков, как и отдель­ные агрегатные станки, компонуются в основном из унифици­рованных узлов: силовых столов и головок, линейных шаговых и поперечных транспортеров, поворотных столов, кантователей, накопителей, гидропанелей, электрошкафов и др. Как и в от­дельных станках, оригинальными узлами являются лишь шпин­дельные коробки станков, приспособления для закрепления изделий и другие элементы.

Если изделия, предназначенные для обработки на линии, не имеют хорошей устойчивости при установке на базовой поверх­ности и межпозиционном транспортировании, то их обработка производится на особых приспособлениях-спутниках, которые перемещаются из позиции в позицию, зажимаются и фиксиру­ются в стационарных приспособлениях. Конструктивной осо­бенностью линий со спутниками является наличие специально­го транспортера возврата спутников в начало линии, где и про­исходит замена обрабатываемых изделий.

Функции системы управления

Системы управления, применяемые в современных станках, разнообразны как по своему назначению, так и по конструктив­ному оформлению. Однако в любом станке, автомате или авто­матической линии можно выделить две основные части: управ­ляющее устройство и управляемые узлы — агрегаты или дру­гие рабочие органы, выполняющие заданный технологический процесс.

Технологический процесс имеет один или несколько пара­метров (подача, скорость, усилие и т.д.), которые для правиль­ного хода процесса поддерживаются постоянными или изменя­ются по определенному закону. Управляющее устройство воз­действует на управляемый рабочий орган станка в соответствии с программой управления.

Программа работы станка — совокупность команд, которые должен выполнять станок. Механизмы и устройства, обеспечи­вающие по заданной программе точное и согласованное во вре­мени воздействие рабочих органов и агрегатов станков, автома­тов и автоматических линий, составляют систему управления.

Основным назначением системы управления станка являет­ся выполнение заданных команд с целью поддержания требу­емых значений параметров выполняемого технологического процесса при определенной точности с наибольшей производи­тельностью.

Команды, задаваемые станку в системах программного уп­равления, подразделяют на три категории.

  1. Технологические команды, обеспечивающие перемещение рабочих органов станка на заданные расстояния в процессе обработки.
  2. Цикловые команды, к которым относятся переключение скорости и подач, выбор инструмента, выключение охлаждения, реверс.
  3. Команды на выполнение служебной или логической ин­формации, обеспечивающие правильность отработки станком всех задаваемых ему команд (обозначение адресов, знаки раз­деления команд, контрольные числа). Эти команды зависят от принятой системы кодирования команд.

Кодирование перемещений тесно связано с выбором систе­мы счисления, в которой цифровую информацию вводят в сис­тему управления. Поэтому при кодировании желательно ис­пользовать такой код, который можно было бы применять в любых системах управления.

Кодом называют совокупность буквенных и цифровых сим­волов, каждая из которых однозначно эквивалентна какой-либо команде, необходимой для управления станком.

Станок, работающий в автоматическом режиме, имеет сис­тему управления, заставляющую выполнять его определенную программу без вмешательства человека.

На неавтоматизированном станке оператор составляет поря­док обработки и изготовляет деталь. Программа обработки за­дается ему в виде технологического процесса. Если все функции управления изъять у оператора и передать их станку, то станок должен самостоятельно выполнить всю работу по программе. При этом человек подготавливает станок для выполнения функ­ций, заданных программой.

При ручном управлении станком ошибки, допущенные в программе, можно исправить в ходе обработки. При автомати­ческой обработке корректировать программу простыми сред­ствами, как правило, трудно. Здесь надо предвидеть износ ин­струмента, изменение температуры, изменение припуска, непо­стоянство сил трения, жесткость, инерционность механизмов, быстродействие и ряд других факторов.

Главное отличие автомата от обычного универсального стан­ка заключается в том, что он по точной программе выполняет определенный повторяющийся цикл работы.

Выбор системы управления во многом зависит от специфи­ки технологического процесса, от конкретных производствен­ных условий, в которых эксплуатируется рабочая машина, и от требований экономики.

Кроме того, система управления накладывает свои особенно­сти на кинематику и конструкцию станков, агрегатов линии, так как кинематика и конструкция станков, транспортных и вспо­могательных устройств неотделимы от системы управления. Однако любая система управления, независимо от характера технологического процесса, для которого она предназначена, должна максимально отвечать следующему ряду основных тре­бований: исполнение команд с высокой степенью быстроты и точности; мобильность при смене объекта производства; синх­ронизация перемещений в различных циклах; высокая надеж­ность работы; автоматическое регулирование процесса обработ­ки и поддержание оптимальных параметров в ходе обработки; простота конструкции, низкая стоимость и удобство обслужи­вания; многокоординатность и многоинструментность обработ­ки; короткий цикл подготовки программы работы; выполнение большого числа технологических команд (переключение подач, чисел оборотов шпинделя, поворот резцовой головки, включе­ние и выключение охлаждения, смена инструмента); управление продолжительными циклами обработки без смены программо­носителя.

Системы управления станков-автоматов и автоматических линий можно классифицировать по различным признакам: по принципу синхронизации, степени централизации управления, методу воздействия, виду программоносителя, числу управля­емых координат, способу программирования, наличию обрат­ной связи, технологическому назначению, числу потоков ин­формации, виду информации, глубине обратной связи, типу привода и другим признакам.

Любая автоматическая система управления выполняет стро­го определенный, заранее намеченный (запрограммированный) комплекс операций по обработке изделия, составленный в виде программы работы автомата или автоматической линии в соот­ветствии с принятым технологическим процессом. Поэтому система программного управления имеет элемент или устрой­ство, называемое программоносителем, который в той или иной форме содержит программу работы управляемого испол­нительного органа.

По виду программоносителя все системы управления рабо­чими машинами можно классифицировать на четыре группы.

Главными характеристиками программоносителя являются метод фиксации программы, наибольшее число команд, кото­рое можно записать (емкость информации), скорость считыва­ния, плотность записи информации, долговечность, длитель­ность работы без потерь информации, наименьшая стоимость, надежность, удобство хранения, удобство транспортирования, простота построения и изготовления, а также быстрота смены программоносителя.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ
И РОБОТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ

Общие сведения о роботах

Роботы и робототехника прошли короткий, но стремительный путь развития. Возникновение современных роботов следует от­нести к 1959 г., когда в США были созданы первые промышлен­ные манипуляторы с программным управлением, предназначенные для обслу­живания технологических процессов: литья под давлением, ков­ки, механической обработки, точечной сварки, нанесения по­крытий. Применение их в автомобильной и металлургической промышленности оказалось экономически выгодно: затраты на приобретение роботов окупались за 1,5...2,5 года. Роботы можно классифицировать по самым различным при­знакам. Наиболее общими и содержательными являются клас­сификации по назначению, решаемому классу задач и особен­ностям управления.

Поскольку с развитием робототехники неизбежно формиро­вание новых поколений роботов и внедрение их в новые обла­сти и сферы, классификация по назначению и решаемому клас­су задач не является завершенной и, в известной мере, харак­теризует путь развития роботов, а поэтому может быть названа эволюционной.

По назначению и решаемому классу задач роботы всех поко­лений могут быть разделены на две большие группы: промыш­ленные и исследовательские.

Промышленные роботы (ПР) — это роботы, предназначен­ные для выполнения тяжелой, монотонной, вредной и опасной для здоровья физической работы, а также для выполнения от­дельных видов трудоемкой, напряженной и утомительной ум­ственной работы (проектирование, информационное обеспече­ние, управление).

Соответственно конкретным областям применения имеется ряд разновидностей промышленных роботов.

Промышленные роботы, получившие наибольшее развитие в настоящее время, предназначены для автоматизации основных и вспомогательных операций в различных отраслях промышленно­сти: в машиностроении и приборостроении, в горнодобыва­ющей, нефтехимической, металлургической, атомной и др.

Промышленные роботы, в свою очередь, подразделяются на три группы по производственно-технологическим признакам: производственные, или технологические (ППР), для основных операций технологических процессов; подъемно-транспортные, или вспомогательные (ПТПР), выполняющие действия типа взять —перенести —положить; универсальные (УПР) для раз­личных операций — основных и вспомогательных.

По специализации промышленные роботы подразделяются на специальные, выполняющие строго определенные техноло­гические операции или обслуживающие конкретные модели технологического оборудования; специализированные, или це­левые, предназначенные для выполнения технологических опе­раций одного вида (сварки, сборки, окраски и т. п.) или обслу­живания определенной группы моделей технологического обо­рудования, объединенных общностью манипуляционных дей­ствий; универсальные, или многоцелевые, ориентированные на выполнение как основных, так и вспомогательных технологи­ческих операций различных видов и с различными группами моделей технологического оборудования.

Исследовательские роботы — это роботы, предназначенные для поиска, сбора, переработки и передачи информации об ис­следуемых объектах. Такими объектами могут быть труднодос­тупные или недоступные для человека сферы (космическое пространство, океанские глубины, недра Земли, экстремаль­ные лабораторные условия) либо области, где требуются выяв­ление, переработка и анализ огромной по объему информации, например информационный поиск и разведка, искусство и ли­тература.

Примером современных исследовательских роботов служат автоматические аппараты для исследования космоса и планет. На протяжении уже многих лет мы являемся свидетелями штур­ма космоса очувствленными роботами. В октябре 1959 г. с помо­щью советской автоматической станции «Луна-3» впервые уда­лось сфотографировать обратную сторону Луны, положив тем самым начало прямому изучению лунной поверхности. Совет­ский космический аппарат автоматической станции «Луна-16» 24 сентября 1970 г. доставил на Землю образцы лунного грунта. Аналогичная операция была совершена в феврале 1972 г. авто­матической станцией «Луна-20». Очувствленные космические роботы «Луноход-1» (1970 г.) и «Луноход-2» (1973 г.), доставлен­ные на поверхность Луны автоматическими станциями «Луна- 17» и «Луна-21» и управляемые человеком-оператором в супер- визорном режиме, получили и передали на Землю ценнейшую информацию о поверхности Луны. Эти выдающиеся экспери­менты, имеющие не только космическое, но и робототехниче­ское значение, показали, насколько сложным и, казалось бы, невыполнимым может быть задание, даваемое космическому роботу.

Составные части и конструкции промышленных роботов.

Промышленный робот состоит из исполнительного устрой­ства (собственно манипулятора) и устройства управления.

Манипулятор ПР предназначен для выполнения всех его дви­гательных функций и представляет собой многозвенный меха­низм с разомкнутой кинематической цепью, оснащенный при­водами и рабочим органом, а также, в общем случае, устрой­ством передвижения. Манипулятор состоит из опорных (несу­щих) конструкций, манипуляционной системы, рабочих орга­нов, привода и устройства передвижения.

Устройство управления ПР необходимо для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой. Оно состоит из собственно систе­мы управления, информационно-измерительной системы с ус­тройствами обратной связи и системы связи.

 

Опорные конструкции служат для размещения всех устройств и агрегатов ПР, а также для обеспечения необходимой прочно­сти и жесткости манипулятора. Опорные конструкции выпол­няются в виде оснований, корпусов, стоек, рам тележек, порта­лов и т. п.

Манипуляционная система предназначена для переноса и ориентации рабочего органа или объекта манипулирования в заданной точке рабочей зоны и представляет собой многозвен­ный пространственный механизм с разомкнутой кинематиче­ской цепью.

Рабочий орган манипулятора ПР, необходимый для непос­редственного воздействия на объект манипулирования при вы­полнении технологических операций или вспомогательных пе­реходов, представляет собой захватное устройство или рабочий инструмент.

Привод предназначен для преобразования подводимой энер­гии в механическое движение исполнительных звеньев манипу­лятора в соответствии с командными сигналами, поступающи­ми от системы управления, и в общем виде содержит энергоус­тановку, двигатели и передаточные механизмы.

Устройство передвижения служит для перемещения манипу­лятора или ПР в целом в необходимое место рабочего простран­ства и состоит из ходовой части и приводных устройств.

Система управления необходима для непосредственного формирования и выдачи управляющих сигналов и состоит из пульта управления, запоминающего устройства, вычислитель­ного устройства, блоков управления приводами манипулятора и технологическим оборудованием.

Информационно-измерительная система, предназначенная для сбора и первичной обработки информации для системы управления о состоянии элементов и механизмов ПР и внешней среды, входит в состав устройства управления ПР и включает в себя устройство обратной связи, устройство сравнения сигна­лов и датчики обратной связи.

Систему связи используют для обеспечения обмена инфор­мацией между ПР и оператором или другими роботами и тех­нологическими устройствами с целью формулировки заданий, контроля за функционированием систем ПР и технологическо­го оборудования, диагностики неисправностей, регламентной проверки и т. п.

На рис. 11.3 представлена одна из конструкций промышлен­ного робота.

Технические характеристики промышленных

роботов

Технические характеристики современных ПР можно под­разделить на основные и дополнительные.

К основным техническим характеристикам ПР относятся номинальная грузоподъемность; число степеней подвижности; величины и скорости перемещения по степеням подвижности; рабочая зона, рабочее пространство и зона обслуживания ПР; погрешность позиционирования или отработки траектории.

Номинальная грузоподъемность ПР — наибольшее значе­ние массы предметов производства или технологической осна­стки, при которой гарантируются их захватывание, удержание и обеспечение установленных значений эксплуатационных ха­рактеристик. Для многорукого ПР номинальную грузоподъем­ность определяют как сумму грузоподъемностей всех его рук. Для некоторых типов ПР важным показателем является усилие (или крутящий момент), развиваемое исполнительным устрой­ством.

По величине номинальной грузоподъемности ПР подразде­ляются на сверхлегкие (до 1 кг); легкие (свыше 1 до 10 кг); сред­ние (свыше 10 до 200 кг); тяжелые (свыше 200 до 1000 кг); сверх­тяжелые (свыше 1000 кг). В настоящее время выпускают до 65 % моделей ПР легкого и среднего типов с грузоподъемностью от 5 до 80 кг.

Число степеней подвижности ПР определяют как сумму воз­можных координатных движений его рабочего органа или объекта манипулирования относительно опорной системы. Для некоторых типов ПР дополнительно учитывают число степеней подвижности захватного устройства, равное числу степеней сво­боды всех его звеньев относительно узла крепления к руке ро­бота.

Среди степеней подвижности отдельного манипулятора раз­личают переносные и ориентирующие. Переносные степени подвижности используются для перемещения рабочего органа ПР, ориентирующие — для его ориентации в рабочей зоне. Для перемещения объекта манипулирования в заданное место рабо­чей зоны без его ориентации достаточно трех переносных сте­пеней подвижности, для полной ориентации — трех ориентиру­ющих. Для переноса и полной пространственной ориентации необходимо шесть степеней подвижности; дальнейшее увеличе­ние числа степеней подвижности повышает маневренность ма­нипуляционной системы робота, улучшает динамику, однако усложняет конструкцию и программирование, снижает точность позиционирования и увеличивает стоимость ПР. Поэтому пред­почитают ограничиваться четырьмя-пятью степенями подвиж­ности; шесть и более применяют лишь в наиболее сложных тех­нологических процессах.

По подвижности ПР подразделяются на три группы: малую (до трех степеней подвижности), среднюю (четыре —шесть) и высо­кую (более шести). Число степеней подвижности ПР в значитель­ной мере определяет его универсальность. Современные ПР име­ют обычно от двух до семи степеней подвижности: самые простые — одну-две; наиболее сложные — семь, иногда и более. В струк­туре современного мирового парка ПР преобладают конструкции с четырьмя и пятью степенями подвижности (63 %).

Учитывая все большее применение подвижных роботов, на­ряду со степенями подвижности манипуляционной системы робота следует рассматривать также степени подвижности уст­ройств его передвижения, так называемые координатные. Вели­чины и скорости перемещения рабочс о органа по каждой сте­пени подвижности характеризуют геометрию рабочего про­странства ПР, а также особенности движения и ориентации переносимого предмета и определяются механикой манипуля­тора ПР и возможностями привода.

Величины перемещений по линейным координатам задают­ся в метрах, по угловым — в градусах или радианах; скорости выражаются в метрах в секунду для линейных и градусах (ради­анах) в секунду для угловых координат.

По величине линейного перемещения или хода рабочего органа различают ПР с малым (до 300 мм), средним (от 300 до 1000 мм) и большим (более 1000 мм) ходом.

Скорости перемещений звеньев манипулятора характеризу­ют важное качество ПР — быстродействие, от которого зависит время обслуживания технологического оборудования. Обычно скорости линейных перемещений рабочих органов манипулято­ров не превышают 1 м/с, хотя имеются отдельные роботы со ско­ростями до 2 м/с и более. Угловые скорости движений рабочих органов находятся преимущественно в диапазоне 15...360 °/с (0,25...6,3 рад/с).

 

Общие сведения о робототехнологических комплексах

При механической обработке деталей с помощью ПР автома­тизируют:

  • установку заготовок в рабочую зону станка и (при необхо­димости) контроль правильности их базирования;
  • снятие готовых деталей со станка и размещение их в таре (накопитель);
  • передачу деталей от станка к станку;
  • кантование деталей (заготовок) в процессе обработки;
  • контроль размеров деталей;
  • очистку базовых поверхностей деталей и приспособлений;
  • смену инструментов.

Опыт эксплуатации ПР показывает, что наиболее целесооб­разной формой роботизации в условиях серийного производства является создание роботизированных технологических комп­лексов (РТК), на базе которых в перспективе могут быть созда­ны роботизированные участки, цехи и заводы.

РТК — это автономно действующая совокупность технологи­ческих средств производства, обеспечивающая полностью авто­матический цикл работы внутри комплекса и его связь с вход­ными и выходными потоками остального производства и вклю­чающая в себя единицу или группу технологического полуавто­матического оборудования (например, металлорежущие стан­ки), взаимодействующего с этим оборудованием ПР, вспомога­тельное оборудование.

На базе одних и тех же моделей станков могут создаваться РТК различных компоновок, комплектуемые ПР, обладающи­ми различными технологическими и техническими возможнос­тями.

Наибольшее распространение получили РТК следующих компоновок: одностаночные, состоящие из одного станка, об­служиваемого подвесным (расположенным над станком), на­польным (расположенным рядом со станком) или встроенным в станке ПР; многостаночные РТК линейной или линейно-па­раллельной компоновки, обслуживаемые подвесными ПР; мно­гостаночные РТК круговой компоновки, обслуживаемые на­польными ПР.

Многостаночные РТК линейной и линейно-параллельной компоновки, обслуживаемые подвесными ПР, имеют следующие достоинства: занимают меньшую (по сравнению с РТК круговой компоновки) производственную площадь; обеспечивают возмож­ность переналадки и ремонта оборудования без остановки рабо­ты всего РТК; обеспечивают возможность визуального наблюде­ния за работой оборудования; обеспечивают безопасные условия работы обслуживающего персонала; обеспечивают возможность обслуживания одним ПР трех или более станков.

Достоинством РТК круговой компоновки, обслуживаемого напольным ПР, является то, что ПР этого типа характеризуется малой материалоемкостью и простотой обслуживания.

Основное достоинство одностаночного РТК со встроенным в станок промышленным роботом — минимальная (по сравне­нию с РТК других компоновок) производственная площадь, требующаяся для размещения комплекса.

Роботизированные технологические комплексы для механической обработки деталей

Требования к промышленным роботам. ПР должны осуще­ствлять: установку заранее ориентированных заготовок в рабо­чую зону станка; снятие деталей со станка и раскладку их в тару или укладку в магазин (конвейер); кантование деталей; выдачу технологических команд для управления технологическим обо­рудованием; транспортирование деталей между станками.

Основные требования к ПР, используемым для автоматиза­ции металлорежущих станков, следующие:

  • конструктивные и технологические параметры ПР (грузо­подъемность, скорость перемещение рабочих органов, точность позиционирования, размеры рабочей зоны, тип программного управления) должны соответствовать параметрам станков, для обслуживания которых они предназначаются;
  • применение ПР должно обеспечить: повышение произво­дительности станков не менее чем на 20 %; повышение качества обработки деталей; повышение коэффициента загрузки станков в 2 — 2,5 раза; снижение трудоемкости на единицу продукции в 2 — 2,5 раза;
  • ПР должен иметь число степеней подвижности, обеспечи­вающее необходимый объем операций при обслуживании как станка, так и вспомогательного оборудования РТК;
  • достаточная степень универсальности, позволяющая при переходе РТК на обработку нового изделия обходиться мини­мальной переналадкой ПР;
  • высокая надежность, обеспечивающая наработку ПР на от­каз не менее 1000 ч;
  • наличие зоны безопасности, находясь в которой обслужи­вающий персонал может беспрепятственно наблюдать за про­цессом резания и в случае аварийной ситуации принимать со­ответствующие меры, не подвергаясь при этом возможности быть травмированным ПР.

 

ГЛАВА 6. Автоматизация КОНТРОЛЯ

Основные направления автоматизации контроля

Контрольные операции в машиностроении занимают боль­шой объем работ. Множество контролеров проверяют заготов­ки, полуфабрикаты, готовые детали и изделия, чтобы не допу­стить бракованную продукцию на последующие операции или к потребителю изделия. Автоматизация контроля не только уменьшает необходимость в контролерах, но позволяет ста­бильно выполнять все запрограммированные действия по про­ведению контроля и более тщательно проверять контролиру­емые параметры (размеры, форму и др.) деталей и изделия в целом.

Контроль — это одна из действенных форм борьбы за улуч­шение качества изделий в соответствии с его основными функ­циями — профилактикой брака при изготовлении изделий и предотвращением выпуска бракованной продукции. Организа­ционно-технический контроль может быть классифицирован:

  • по назначению — проверка линейных размеров, формы, шероховатости поверхности, физико-механических и химиче­ских свойств деталей, взаимного расположения и качества со­единения деталей в сборочных единицах (соблюдение требу­емых зазоров, натягов и т. п.), выполнения функциональных па­раметров изделия и т. п.;
  • количеству измеряемых изделий — на сплошной и выбороч­ный;
  • количеству контрольных операций — на пооперационный и окончательный;
  • степени автоматизации — на ручной, механизированный и автоматизированный;
  • характеру влияния на технологический процесс —на актив­ный и пассивный;
  • способу измерения — на прямой, косвенный, комбиниро­ванный.

Применение автоматизации контроля, так же как и других операций производственного процесса, должно быть обоснова­но технически и экономически. Основные соображения, которы­ми нужно руководствоваться при выборе автоматизации кон­троля и применяемых измерительных средств:

  • рациональная схема контроля, обеспечивающая проверку с заданной точностью и стабильность показаний измерения;
  • наименьшие из возможных трудовые затраты на контроль­ные операции;
  • достижение минимального времени на операцию контроля;
  • совмещение контроля нескольких параметров в одном конт­рольном переходе, т. е. использование устройств для контроля нескольких величин одновременно;
  • использование наиболее экономичных приборов и уст­ройств;
  • применение надежных и долговечных устройств простых в эксплуатации и ремонте с максимальной продолжительностью работы до повторного ремонта.

При выполнении контрольных операций возникают погреш­ности измерения, образующиеся в результате неправильного базирования контролируемой детали, ограниченной точности контрольно-измерительных средств, погрешностей отсчета, влияния температурных факторов, нерациональной схемы про­ведения измерения и др. Погрешности измерения разделяют на грубые, систематические и случайные.

Грубые погрешности — это погрешности, которые по абсо­лютному значению превышают допустимые и свидетельствуют о явном искажении результатов измерения. Они возникают при неправильно настроенном приборе, сбившейся шкале (в резуль­тате удара, толчка и др.), плохо закрепленных контрольных при­борах, неустойчивых фундаментах и др. Обнаруживаются грубые погрешности измерения проведением контрольных промеров.

Систематические погрешности измерения — это погреш­ности, которые входят с постоянным значением и знаком в из­мерения всех деталей. Эти погрешности могут также изменять­ся по определенному закону и возникать в результате непра­вильной установки прибора и измеряемой детали, несовершен­ной конструкции и градуировки прибора, из-за изменения тем­пературы в процессе измерения и других факторов.

Случайные погрешности измерения — это погрешности, ко­торые по значению и знаку могут быть большими или меньши­ми у каждой из деталей. Они возникают из-за несовершенства конструкции прибора, погрешности отсчета, колебания измери­тельного усилия, деформации деталей прибора, трения деталей прибора и др.

Чтобы уменьшить влияние погрешностей, следует измерения выполнять при постоянном усилии и температуре (20±2)°С ин­струментом, цена деления которого не более 1/6 поля допуска измеряемого значения. Инструмент должен быть годным (срок действия прибора по паспорту не истек). Проверку его произ­водят через установленное время. Наибольшее значение имеют систематические погрешности измерения: температурные и ус­тановки детали.

Погрешности установки деталей в измерительные приспо­собления соответствуют погрешности базирования, если деталь при измерении не закрепляется. В ряде случаев, когда измеряют­ся детали, изготовленные с малыми допусками, желательно пользоваться измерительными средствами с большей ценой де­ления, так как такие приборы проще и дешевле. Достичь этого можно, используя схему расположения установочных элементов приспособления таким образом, чтобы перемещение измери­тельного штока было бы большим, чем допуск на измеряемый размер детали.

Все устройства автоматизации контроля состоят из приспо­собления для установки измеряемой детали, измерительного датчика, промежуточных устройств для усиления сигнала, пода­ваемого датчиком, иногда реле времени для задержки сигнала и исполнительного устройства для управления сортировочным устройством или станком, на котором обрабатывается и конт­ролируется деталь, а также устройствами для световой или зву­ковой сигнализации и счета деталей.

При автоматизации контроля необходимо предусмотреть воз­можность наблюдения за работой контрольных устройств, что­бы своевременно производить регулировку и не пользоваться приборами, начинающими давать ошибочные показания изме­ряемых параметров.

 

Пассивный и активный контроль

Автоматическим контрольным устройством называют такое, которое без участия рабочего выполняет все действия, необходимые для измерения изделия и сопоставления его дей­ствительных размеров с заранее заданными. В автоматическом контрольном устройстве имеется блок памяти, в который зано­сят предельные размеры параметров изделия, чтобы устройство могло сопоставлять измеренные размеры с заданными предель­ными. Если в результате такого сопоставления устройство сор­тирует изделия по группам, то его называют автоматом пас­сивного контроля. Если по результатам сопостав­ления размеров устройство изменяет ход протекания процесса (уменьшается подача, отводится шлифовальная бабка и др.), то его называют автоматом активного контроля.


 


Автоматы пассивного и активного контроля содержат ряд одинаковых по назначению деталей устройств, что позволяет унифицировать наиболее надежные и конструктивно совершен­ные виды таких устройств.

 

Автоматы активного контроля. Измерения проводятся в процессе обработки детали. Причем измерять можно непосред­ственно обрабатываемую деталь (прямой метод), положение инструмента или части станка (косвенный метод) либо деталь и положение инструмента (комбинированный метод). Иногда активный контроль осуществляют не в процессе обработки, а после окончания обработки, когда трудно встроить измеритель­ный шток в зону обработки. Автомат активного контроля, из­мерив деталь, может подать сигнал на остановку станка из-за несоответствия заданных размеров, поломки инструмента и других причин. Он же может подавать сигнал и на поднастрой­ку станка.

Активный контроль — наиболее прогрессивный метод, так как он не фиксирует брак, а предотвращает его появление, по­зволяет освободить рабочего от функций управления станком в зависимости от достижения заданных параметров изделия и создает возможность введения автоматической подналадки.

 

 

 

Системы автоматического контроля

Автоматические измерительные системы в зависимости от выполняемой ими задачи можно подразделить на системы авто­матического контроля, автоматического управления и автомати­ческого регулирования технологического процесса.

 

Автоматическая сигнализация и защита

Этот вид автоматического контроля заключается в подаче светового или звукового сигнала при достижении контролиру­емым объектом предельных заранее установленных значений. Кроме того, при нарушении заданного режима работы машины или установки устройства автоматической сигнализации изве­щают о появлении аварийных режимов работы и неполадок.

Различают четыре типа автоматической сигнализации: ко­мандная, контрольная технологическая, предупредительная и аварийная.

Командная сигнализация предназначена для передачи типо­вых командных сигналов от одного поста управления к другому и обратно. Простейший пример командной сигнализации — это устройство машинного телеграфа на кораблях. При повороте рукоятки машинного телеграфа, расположенного в рубке на верхней палубе, в положение, соответствующее определенной команде, например «Полный вперед», в машинном отделении сигнальное устройство производит эту команду.

Контрольная технологическая сигнализация предназначе­на для автоматического извещения о включении в работу или остановке отдельных вспомогательных механизмов, положении запорных органов на различных коммуникациях и т. д. К подоб­ным устройствам относятся, например, контрольные лампочки на пульте управления крупного станка, извещающие о том, что насос системы работает, и др.

Предупредительная сигнализация служит для автоматиче­ского извещения персонала о возникновении опасных измене­ний режима, грозящих при дальнейшем их развитии аварией. Эти устройства сигнализируют, например, о необходимости остановки станка или прекращении движения подачи в случа­ях поломки режущего инструмента, поступлении некачествен­ной заготовки, неправильной установке заготовки в станке, невыполнении предыдущей операции или перехода, наличии стружки в отверстии, в котором должна нарезаться резьба, или в случаях, которые могут привести к порче оборудования.

Аварийная сигнализация, как правило, имеет комбиниро­ванный сигнал (световой и звуковой), который подается при нарушении технологического режима. Звуковой сигнал служит для привлечения внимания обслуживающего персонала, а све­товой сигнал указывает место нарушения.

Аварийная сигнализация предназначена для автоматическо­го оповещения персонала о происшедшем отключении обору­дования.

Устройства автоматической защиты служат для отключения контролируемого объекта при нарушении нормальных режимов работы, например при перегрузке электрического оборудования и коротких замыканиях в электрических цепях, при повышении заданного давления в резервуарах и поломке инструмента на станках автоматической линии.

Примером простейшей автоматической защиты могут слу­жить плавкие вставки, представляющие собой патрон из изоля­ционного материала со вставкой из легкоплавкого металла, ко­торый при коротком замыкании расплавляется, разрывая элект­рическую цепь.

Особым видом автоматической защиты являются защитно­блокировочные устройства, которые останавливают станок или прекращают подачу заготовок, предупреждая аварию. Командой для срабатывания защитно-блокировочного устройства являют­ся поломка и износ инструмента, неправильная установка заго­товки, некачественная отливка и другие случаи.

Большое значение защитно-блокировочные устройства име­ют в автоматических линиях для предотвращения поломки ин­струмента и оборудования. Если хотя бы на одном станке авто­матической линии произойдет значительный износ инструмен­та или по какой-либо другой причине будет не выполнена опе­рация, защитно-блокировочное устройство остановит линию для устранения неполадок.

Устройства автоматической защиты особенно необходимы для создания безопасных условий работы и для предотвращения аварий.

 

ГЛАВА 7. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ - НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА В МАШИНОСТРОЕНИИ

Новизна гибкой концепции состоит в том, что ей свойстве­нен не столько поточный способ организации производства, сколько централизованный, предусматривающий как можно более полную, завершенную обработку деталей на одной рабо­чей позиции, на одном станке, на одной рабочей машине.

Поточная технология, в основе которой заложена дифферен­циация процесса обработки деталей на многочисленные опера­ции и переходы, выполняемые на различных станках, в связи с ускорением научно-технического прогресса потеряла свои эконо­мические преимущества, так как продукция стала значительно сложнее и ее ассортимент стал изменяться более часто. Детали стали больше пролеживать между станками, выросли заделы и вспомогательные операции. Настало время выбирать между даль­нейшей специализацией станков и автоматизацией вспомога­тельных операций. Например, деталь полностью обрабатывает­ся на пяти станках, что влечет за собой пятикратную загрузку (разгрузку) детали на станок, увеличение времени межопераци­онной транспортировки и ожиданий. Это усложняет управление и приводит к удорожанию производства. Поэтому требуется со­здание универсальных многоцелевых станков с тем, чтобы деталь централизованно полностью обрабатывалась на одном станке с одной загрузкой-разгрузкой, за одну операцию и, следовательно, без межоперационной транспортировки, без пролеживаний и ожиданий. Выбор был сделан, появились обрабатывающие цен­тры, а затем и ГПС.

Сущность концепции гибкого производства состоит в том, что она позволяет переходить с выпуска одного изделия на вы­пуск другого изделия практически без переналадки технологи­ческого и любого другого оборудования; если же в каких-то слу­чаях и требуется переналадка, то она осуществляется одновре­менно с выпуском предыдущего изделия. В гибком производ­стве, как правило, участвуют в основном операторы с уровнем подготовки техников и инженеров. Применение ЭВМ в управ­лении гибким производством позволяет осуществлять комплек­сный подход к автоматизации всех видов работ и процессов — от заготовки (проработки задания на производство нового из­делия, конструкторско-расчетных работ, технологической под­готовки производства, всего комплекса технологических про­цессов) до упаковки и отправки изделия потребителю.

Более важным становится управление. Заказы-наряды на работу, производственные программы и график прохождения компонентов по всему технологическому маршруту — все это находится в центральной управляющей ЭВМ и ЭВМ подсис­тем всего производства. Каждая ЭВМ имеет сеть связанных микропроцессоров, которые управляют отдельными техноло­гическими операциями. Каждая отдельная ЭВМ ведет учет фактического выполнения операций, осуществляет слежение за процессом.

Это, конечно, не означает, что сама технология перестает быть важным элементом в таких системах, но следует подчерк­нуть, что настоящий успех гибкого производства достигается за счет организации производства.

Большинство действующих и создаваемых в разных странах мира гибких систем автоматизируют какой-то один технологи­ческий процесс: механообработку, сварку, окраску, сборку. На­чали появляться гибкие системы в кузнечно-прессовом и литей­ном производствах. Как правило, эти системы включают в себя автоматизированные на базе ЭВМ конструирование деталей, технологическую подготовку и планирование производства. Од­нако еще нет примеров сквозной гибкой автоматизации всего комплекса производственных задач, как говорится, «от ворот до ворот» завода, т.е. полной интеграции производства.

Основные термины и показатели ГПС

Степень автоматизации, степень гибкости, уровень интег­рации — это основные характеристики гибкого производства. От этих факторов зависят их стоимость, производительность, рациональные области применения и другие экономические показатели.

Степень автоматизации — это отношение объемов 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 в себя и степень надежности работы системы, которая определяется соотношением времени работы и простоев систе­мы, вызванных отказом оборудования, управления, вычисли­тельной техники и других компонентов системы.

Степень гибкости — это мобильность, объем затрат, с ко­торыми можно перейти на выпуск новой продукции, и величи­на разнообразия номенклатуры изделий, обрабатываемых одно­временно или поочередно.

Уровень интеграции — это количество различных производ­ственных задач, функций, которые увязываются в единую сис­тему и управляются центральной ЭВМ: конструирование, тех­нологическая подготовка производства, обработка, сборка, кон­троль, испытания и др.

Числовое программное управление вообще или станков в частности — это автоматическое управление путем передачи информации в форме чисел от программоносителя до исполни­тельного органа, определяющей его движение и выполнение им других функций.

Числовое программное управление позволило создать мно­гоцелевые станки с автоматической сменой инструмента, кото­рые получили название «обрабатывающий центр». ОЦ может предназначаться для обработки корпусных деталей (операции: фрезерование, сверление, расточка, развертывание, нарезка резьбы) или для обработки тел вращения (ТОЦ) (токарные опе­рации, включая отдельные операции фрезерования, сверления, нарезки резьб и др.).

На основе ОЦ создается гибкий производственный модуль (ГПМ). ГПМ — это единица технологического оборудования с ЧПУ и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующая, осуществляющая многократные автоматические циклы, обладающая свойством автоматизиро­ванной переналадки при производстве деталей или изделий широкой номенклатуры в пределах его технологического назна­чения и установленных технических характеристик, имеющая возможность встраивания в гибкую производственную систему (ГПС). В общем случае ГПМ могут включать в себя: накопите­ли, спутники, паллеты, устройства загрузки и выгрузки, заме­ны технологической оснастки, автоматизированного контроля, включая диагностирование, устройство переналадки и т.д.

ГПМ и другие обрабатывающие машины с ЧПУ объединяют­ся в гибкие системы, обобщающим названием которых являет­ся «гибкая производственная система» (ГПС).

Гибкая производственная система — это совокупность обо­рудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплек­сов, гибких производственных модулей, отдельных единиц тех­нологического оборудования с ЧПУ и системы обеспечения их функционирования в автоматическом или автоматизированном режиме, обладающая свойством автоматизированной (програм­мируемой) переналадки при производстве деталей или изделий произвольной номенклатуры в пределах технологического на­значения и установленных значений характеристик.

Система обеспечения функционирования ГПС в автоматизи­рованном режиме включает в себя:

  • автоматизированную транспортно-складскую систему (АТСС);
  • автоматизированную систему инструментального обеспече­ния (АСИО);
  • автоматизированную систему удаления отходов (АСУО);
  • автоматизированную систему управления (АСУ).

Все системы обеспечения функционирования ГПС частично или полностью входят в состав гибкой автоматизированной линии (ГАЛ) или гибкого автоматизированного участка (ГАУ).

В ГАЛ технологическое оборудование расположено в задан­ной последовательности технологических операций; при этом для изготовления (обработки) какого-либо изделия может тре­боваться все или только часть оборудования линии. ГАЛ имеет высокую производительность за счет некоторой потери гибко­сти. ГПС со свободным маршрутом обработки (деталей) обра­зует ГАУ. Это наиболее распространенный вид ГПС.

Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) представляет собой частичную интеграцию ГАЛ, ГАУ другого технологического обо­рудования с ЧПУ, а также таких систем, как САПР, АСТПП и др.

Эти и другие системы организуют потоки производственной информации, различных показателей деятельности предприя­тия, статистических данных между различными уровнями уп­равления (от каждого станка, оператора через все организаци­онно-управленческие уровни до директора). Эти системы помо­гают решать задачи загрузки оборудования, следят за запасами, рассчитывают себестоимость продукции, решают задачи снаб­жения и сбыта, обеспечивают повседневный, ежечасный, еже­минутный анализ хода производства и принятия решений уп­равленческим персоналом.

Полная интеграция в единую систему всех необходимых си­стем, которые становятся в этом случае подсистемами, для про­изводства заданной продукции определяет гибкий автоматизи­рованный завод — это завод будущего — полностью автомати­зированный, гибкий, работающий 24 ч в сутки, каждый день в году и большую часть времени в «безлюдном» режиме.

Преимущества ГПС и проблемы их внедрения

Опыт эксплуатации ГПС в различных странах мира, накоп­ленный в последние годы, дает возможность провести анализ преимуществ организации гибкого производства по сравнению с традиционной организацией производства в зависимости от степени интеграции и уровня автоматизации действующих ГПС.

Основные преимущества ГПС заключаются в следующем.

Увеличение мобильности производства позво­ляет осуществить:

  • сокращение сроков освоения новой продукции и постав­ки продукции потребителю, что особенно важно в связи с рос­том быстросменяемое™ продукции — тенденция, которая будет преобладать в будущем. Изменения конструкции изделия могут быть реализованы в кратчайшие сроки. В интегрированном (ГПС, САПР, АСТПП) производстве имеется возможность вно­сить изменения в конструкцию выпускаемых изделий по ходу производства, чтобы обеспечить удовлетворение спроса, за счет модернизации и постоянного обновления продукции (обеспече­ния быстрой приспосабливаемости к изменению объекта про­изводства);
  • повышение гибкости производства, сокращение эконо­мичного размера партии до минимума (в отдельных случаях он равен одной штуке) за счет значительного сокращения време­ни переналадки. Переналадку фактически осуществляют толь­ко при переходе на обработку другой группы деталей и не дела­ют при переходе с обработки одной детали на другую внутри группы. При полностью гибком производстве предполагается возможность обработки различных деталей без останова стан­ка на переналадку;
  • улучшение управления производством по всем цехам и своевременное удовлетворение условиям, складывающимся при сборке. Интеграция управления на базе ЭВМ позволяет лучше управлять технологией, следить за работой оборудования, за временем прохождения и местом нахождения каждого компо­нента производства (детали, инструмента или приспособлений) и своевременно включать в процесс оператора, если это стано­вится необходимым. Интеграция управления гибким производ­ством обеспечивает ускорение прохождения информации по всем отделам, сокращает объем всякого рода «бумажной» рабо­ты ИТР, повышает дисциплину плана и графика производства;
  • увеличение производственных мощностей как за счет выс­вобождения станков, инструмента, приспособлений и оснастки для других производственных задач, выпуска другой продукции, так и за счет возможностей по частям наращивать производ­ственные мощности путем добавления дополнительных станков и оборудования;
  • возможность модернизации, обновления заводов на базе новейших достижений науки и техники без остановки произ­водства и при меньших капитальных затратах.

Увеличение фондоотдачи производства разви­вается по следующим направлениям:

  • сокращение времени всего производственного цикла. Вре­мя «от ворот до ворот» сокращается в среднем в 30 раз;
  • детали проходят полную обработку через всю систему без ожиданий.

На первых этапах внедрения ГПС может увеличиваться чис­ло программистов и других инженерно-технических работни­ков, однако и в этом случае общее число персонала сокращает­ся не менее чем на 30 %.

Эффективность применения ГПС

Эффективность ГПС складывается из технической, органи­зационной и экономической эффективности.

Техническая и организационная эффективность внедрения ГПС при переходе от универсального оборудования с ручным управлением или автономно работающего оборудования с ЧПУ к ГАЛ и ГАУ достигается путем повышения эффективности использования технологического оборудования за счет миними­зации времени переналадки его на выпуск другой продукции, а также путем освобождения оператора от постоянного наблюде­ния за работой оборудования и перехода к многостаночному обслуживанию.

Становится возможным круглосуточно выполнять операции обработки разных деталей одной группы в любой последова­тельности, т. е. переходить к «безлюдной» (а точнее, к трудосбе­регающей) технологии.

Экономическая эффективность применения ГПС по сравне­нию с автономно эксплуатируемым оборудованием образуется в основном за счет:

  • сокращения затрат (экономии основных фондов) на закуп­ку оборудования в связи с уменьшением его числа, так как в 2 — 3 раза повышается производительность оборудования и улучша­ется его использование;
  • уменьшения затрат на строительство производственных площадей под уменьшенное число оборудования;
  • экономии фонда заработной платы в связи с сокращением (в 2 раза и более) состава производственного и обслуживающе­го персонала (с 91 до 47 человек при использовании в три сме­ны, например, ГАУ механической обработки АЛП-3-2);
  • уменьшения вложений в оборотные фонды, так как умень­шается производственный цикл изготовления продукции, ее партионность, необходимые запасы и т. п.

Кроме того, во всех случаях уменьшаются потери от брака и во многих случаях сокращаются затраты на оснастку.

К числу показателей экономической эффективности внедре­ния гибких производственных систем относятся: фондоотдача, годовой экономический эффект (экономия приведенных затрат) Э и коэффициент окупаемости

Внедрение гибких производственных систем не только дает большой технико-экономический эффект, но и вызывает важ­ные социальные изменения в производстве. Большая соци­альная эффективность внедрения ГПМ, ГАЛ и ГАУ проявляет­ся в повышении культуры труда обслуживающего персонала, улучшении режима его работы (в частности, за счет высвобож­дения от работы в ночное время), исключении ручного тяжело­го физического труда, улучшении техники безопасности и со­кращении производственного травматизма.

Контрольные вопросы

  1. Что такое «гибкая производственная система» (ГПС) и в каких случаях целесообразно ее создание?

 

 

Список литературы:


  1. Автоматизация типовых технологических процессов и установок: Учебник для вузов / А. М. Корытин, Н. К. Петров, С. Н. Радимов, Н.К. Шапарев. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1989.
  2. Васильев В.Н. Организация и экономика гибкого интегрирован­ного производства в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1986.
  3. Волчкевич Л. И., Кузнецов М.М., Усов Б. А. Автоматы и автома­тические линии. Ч. 1. Основы проектирования / Под ред. Г. А. Шаумя­на: Учеб, пособие для вузов. — М.: Высш. шк., 1976.
  4. Камышный Н. И. Автоматизация загрузки станков. — М.: Маши­ностроение, 1977.
  5. Капустин Н. М., Дьяконова Н.П., Кузнецов П.М. Автоматиза­ция машиностроения: Учебник для втузов / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Высш. шк., 2002.
  6. Кузнецов Н.М., Волчкевич Л. И., Замчалов Ю.П. Автоматиза­ция производственных процессов: Учебник для втузов / Под ред. Г.А. Шаумяна. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1978.
  7. И. Лебедовский М.С., Федотов А. И. Автоматизация в промыш­ленности: Справочная книга.: Лениздат, 1976.
  8. Малов А.Н., Иванов Ю. В. Основы автоматики и автоматиза­ция производственных процессов. — М.: Машиностроение, 1974.
  9. Торган В. С., Торган А. В. Основы автоматизации технологичес­ких процессов в приборостроении: Учебник для приборостроит. тех­никумов. — М.: Высш. шк., 1985.
  10. Шишмарев В. Ю. Гибкие производственные системы в прибо­ростроении: Учеб, пособие для вузов. — М.: МГАТУ, 1996.