Гибкие производственные системы

Полетаев В.А.

Источник: http://ispu.ru/library/lessons/Poletaev2/index.html

Введение

Бурное развитие информатики и микропроцессорной техники подняло на принципиально новый уровень решение многих задач управления технологическими и производственными процессами. Тенденция перехода к автоматизированному производству затронула многие сферы хозяйства, в том числе и машиностроение. В основе автоматизации процессов лежит частичное или полное отстранение человека от непосредственного участия в производственном процессе. В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменение спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не находящей спроса продукции бесполезного расходования ресурсов. Развитие автоматизации на ранних этапах характеризовалось отсутствием мобильности, динамичности - создание жестких автоматических линий, предназначенных для массового производства (срок окупаемости таких линий составляет не менее 8 - 10 лет). Однако единичное и мелкосерийное производство оставались практически неавтоматизированными. Именно поэтому возникла принципиально новая концепция автоматизированного производства - гибкие производственные системы (ГПС). Начальным этапом формирования направления автоматизации этих типов производств можно считать 60-е годы, когда впервые было сформулировано понятие "гибкое производство". Под гибкостью станочной системы понимают ее способность быстро перестраиваться на обработку новых деталей в пределах, определяемых техническими возможностями оборудования и технологией обработки группы деталей. Высокая степень гибкости обеспечивает более полное удовлетворение требований заказчика, оперативный переход к выпуску новой продукции, сохранение оправданного характера мелкосерийного производства, автоматизацию технологической подготовке производства на базе вычислительной техники, снижение затрат на незавершенное производство.

Гибкое автоматизированное производство должно обладать следующими признаками:

1.      гибкость состояния системы, то есть способность хорошо функционировать при различных внешних (появление нового ассортимента изделий, изменение технологии и др.) и внутренних (сбои в системе управления станками, отклонения во времени и качестве обработки и т.д.) изменениях;

2.      гибкость действия, то есть обеспечение возможности легко включать в систему новые станки и инструменты для увеличения ее мощности в связи с увеличением объема производства;

3.      гибкость системы группирования, то есть возможность расширения семейства обрабатываемых деталей;

4.      гибкость технологии, определяющая способность системы учитывать изменения в составе выполнения технологических операций;

5.      гибкость оборудования, которая характеризуется способностью системы справиться с переналадками в станках;

6.      гибкость транспортной системы, выражающаяся в бесперебойной и оптимальной загрузке металлорежущего оборудования по определенной, наперед заданной стратегии управления;

7.      гибкость системы обеспечения инструментом;

8.      гибкость системы управления, обеспечивающая наиболее рациональное построение маршрутов обработки и транспортных потоков с точки зрения различных критериев;

9.      организационная гибкость производства, заключающаяся в возможности простого и незамедлительного перехода на обработку любой из освоенных системой деталей.

 

1.КОМПОНЕНТЫ ГПС

Основными компонентами ГПС являются: гибкий производственный модуль (ГПМ), автоматические складская и транспортная системы (АСС и АТС) и система автоматизированного управления.

Гибкий производственный модуль должен выполнять в автоматическом режиме следующие функции:

1.      переналадку на изготовление другого изделия;

2.      установку изделий, подлежащих обработке в технологическом оборудовании, и выгрузку готовых изделий;

3.      очистку установок от отходов производства;

4.      контроль правильности базирования и установки обрабатываемого изделия;

5.      контроль рабочих сред и средств, осуществляющих обработку, а также формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;

6.      замену средств обработки и рабочих сред;

7.      контроль параметров, обрабатываемого изделия и формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;

8.      автоматическое управление технологическим процессом на основе принятых критериев эффективности;

9.      связь с верхним уровнем управления с целью обмена информацией и приема управляющих воздействий;

10.   диагностику технического состояния и поиск неисправностей.

Применение автоматической складской системой в ГПС необходимо для хранения запаса объектов обработки, инструмента, приспособлений, материалов в связи с тем, что при многонаменклатурном производстве невозможно организовать обработку различных партий деталей в едином ритме, подобно автоматическим линиям с жестким циклом. Автоматическая складская система используется в качестве организующего звена, информационная модель которого может применяться для планирования работы ГПС, так как сменно - суточное задание рассчитывается на основании информации о наличии предметов и средств обработки на складе. Она должна иметь достаточную емкость для обеспечения непрерывности многосменного технологического цикла при рациональном использовании площадей и объемов производственных помещений, обеспечить сохранность обрабатывающих устройств и готовых изделий в заданном ориентировочном положении при операциях приема, хранения и выдачи, а также учет комплектности склада и выдачу информации об этом на верхний уровень управления. Автоматическая транспортная система, входящая в ГПС, обеспечивает получение из АСС и возврат изделий (полуфабрикатов, материалов, комплектующих изделий, инструмента, технологической оснастки и др.), перемещение их в заданном направлении с заданной скоростью, переукладку с одних транспортных средств на другие, установку на приемные устройства с заданной точностью, транспортировку изготовленных изделий на склад готовой продукции и т.д. Эта система должна удовлетворять требованиям ГПМ, сохранять ориентацию перевезенного груза, осуществлять связь с верхним уровнем управления. В состав АТС входят основное транспортное оборудование, основу которого составляют накопительно-ориентиррующие устройства. В зависимости от условий производства в ГПС применяются транспортные средства трех видов: напольные роботы - электроробокары, подвесные транспортные роботы и конвейерные системы.

 

2. УРОВНИ ГПС И СОСТАВ ИНФОРМАЦИОННЫХ И УПРАВЛЯЮЩИХ ФУНКЦИЙ

В системах управления ГПС применяется большое число вычислительных машин, выполняющих функции сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации. Для координации работы элементов ГПС используется многоуровневая система. К первому уровню относятся устройства управления промышленным роботом с программным управлением. Ко второму уровню относится система управления гибким производственным модулем (ГПМ). Состав информационных и управляющих функций, которые реализуются на уровне ГПМ с помощью средств локальной автоматики и автономной микроЭВМ, определяется для каждого модуля.

К информационным функциям на этом уровне относятся:

1.      контроль технологических параметров;

2.      проверка работы технологического оборудования и транспортных систем в составе модуля;

3.      контроль выполнения операций;

4.      пооперационный учет обработанных изделий;

5.      подготовка и передача информации на высший уровень управления.

К управляющим функциям модуля относятся управление режимами работы оборудования и транспортных систем внутри модуля, а также диагностика их неисправностей. Управляющая микроЭВМ второго уровня формирует информацию для передачи на высший уровень. Обработанная и сформированная с помощью микроЭВМ технологического модуля информация передается на третий уровень управления группой модулей, автоматическими складскими системами и автоматическими транспортными системами.

Информационными функциями этого уровня являются:

1.      контроль движения изделий по технологическому маршруту обработки;

2.      пооперационный учет обработанных изделий;

3.      учет годных и бракованных изделий;

4.      диагностика функционирования транспортно-накопительных систем и технологических модулей;

5.      контроль уровня запасов предметов обработки, обеспечивающих бесперебойность процесса.

К управляющим функциям третьего уровня относятся:

1.      задание технологических режимов обработки изделия;

2.      управление поиском предметов обработки на складах и в накопителях, а также их загрузкой, транспортировкой, выгрузкой и установкой на приемные устройства с требуемой точностью;

3.      сигнализация о достижении критических ситуаций по уровню запасов на складах и накопителях;

4.      автоматическая остановка технологического комплекса при аварийных ситуациях и сигнализация об этом.

Управляющие сигналы передаются на микроЭВМ технологических модулей, а общая информация о работе технологического комплекса поступает на следующий, четвертый, уровень управления предприятием. Создание ГПС с использованием современных средств вычислительной техники не исключает участия человека в управлении производства. В зависимости от степени автоматизации изменяются только его задачи и характер деятельности, в результате чего увеличивается цена ошибки, которую может при этом совершить человек. Отсюда следует, что современная ГПС в самом общем виде представляет собой систему "человек - машина" и рабочие места диспетчеров и операторов должны учитывать задачи и условия деятельности человека по управлению и обслуживанию ГПС и систем управления ГПС в нормальных условиях функционирования и в аварийных ситуациях.

3. ОСОБЕННОСТИ, ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ГИБКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Особенности: ГПС являются достаточно сложным, динамическим объектом, который нельзя описать без определенных допущений. Во многом его экономическая эффективность зависит от созданной математической модели производства.
Преимущества:

1.      Сокращение объемов незавершенного производства в 2-2,5 раза;

2.      Повышение коэффициента загрузки оборудования до 0,8 – 0,9;

3.      Повышение мобильности производства (сокращение сроков освоения новой продукции, возможность обеспечения быстрой приспособляемости производства к изменению объекта изготовления, сокращение времени подготовки производства в среднем на 50%, уменьшение наименований и количества необходимого инструмента, сокращение времени установки заготовок на станке и т.д.);

4.      Повышение производительности труда (рост производительности труда на всех стадиях производства, сокращение времени цикла обработки каждой детали за счет автоматизации установки и снятия заготовок, обеспечение длительной работы без присутствия человека или при ограниченном количестве операторов, повышение коэффициента сменности);

5.      Повышение качества продукции (увеличение надежности управления станками, обеспечение стабильности качества продукции, сокращение времени сборки изделий, снижение брака в 4-5 раз и затрат на его ликвидацию, автоматизация контроля размеров обрабатываемых деталей непосредственно на станке);

6.      Снижение затрат на производство (снижение себестоимости продукции за счет роста производительности труда, сокращение сроков технической подготовки и вспомогательных работ, сокращение расходов на содержание производственных и вспомогательных площадей, снижение срока окупаемости).

Проблемы и трудности всегда имеют место при внедрении новой техники, однако для ГПС они могут быть более значительными, так как это новая концепция производства. Рассмотрим их подробнее:

1.      Большие первоначальные капитальные вложения, связанные с приобретением и пуском ГПС.

2.      Сложности при проектировании и внедрении системы управления;

3.      Проблемы подготовки кадров - рабочий перестает быть оператором, знающим одну специальность, он должен владеть рядом профессий;

4.      Сложность проектирования ГПС и выполнения технико-экономического анализа;

5.      имеется мало поставщиков систем, которые могут поставлять сложные системы;

Анализ ГПС позволяет сделать некоторые выводы:

1.      управление транспортными системами и работой станков осуществляется одной или несколькими ЭВМ;

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

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

4.      Наибольшее распространение получили в механообработке – до 71%;

5.      различна и степень гибкости ГПС. Например в США преобладают системы для обработки изделий в пределах 4-10 наименований, в Германии – от 50 до 200;

Ниже приведена схема планировки ГАУ типа «Талка 320», предназначенного для многооперационной обработки корпусных деталей малых и средних типоразмеров, показана на рисунке. В гибкий автоматизированный участок включены пять расположенных в линию ГПМ и транспортная система типа ТС320. Система транспортирования обеспечивает доставку заготовок на столах-спутниках со станции загрузки-разгрузки (в составе участка подготовки производства) на 12-позиционные накопители карусельного типа, входящие в состав базовых ГПМ. После завершения обработки транспортная система передает столы-спутники с деталями от накопителей на станции загрузки-разгрузки, а также осуществляет доставку на станки устройств замены инструмента.

Список источников:

1.      Полетаев В.А., Методическое пособие по выполнению курсовой работы для студентов специальности 120101 «Технология автоматизированного производства», Ивановский государственный энергетический университет; http://www.ispu.ru/library/lessons/Poletaev2/index.html

2.      Сердюк А.И. Основы создания ГПС механообработки. Электронный учебный курс. http://fms-cim.narod.ru/kaskad.html

3.      Ямпольский Л.С., Банашак З. Автоматизация проектирования и управления в гибком производстве. – Киев: Тэхника 1989, Варшава – Научно техническое издательство 1989, 214с.