Автоматизация производства

С точки зрения адаптивных возможностей к обновлению, смене номенклатуры и серийности производства можно выделить три уровня автоматизации технологических процессов:

- традиционная "жесткая" автоматизация;

- автоматизированное производство с ограниченными воз­можностями переналадки;

- гибкое автоматизированное производство.

Традиционная "жесткая" автоматизация технологичес­ких процессов осуществляется на основе применения полуавтоматов и автоматов, станков с программным управле­нием, обрабатывающих центров, автоматических линий и др. К автоматизированному производству с ограниченными возможностями переналадки можно отнести: автоматичес­кие линии, управляемые ЭВМ; роторные и роторно-конвейерные линии; роботизированное производство.

Гибкое автоматизированное производство базируется на применении гибких производственных систем.

На автоматических станках все процессы обработки детали осуществляются без непосредственного вмешательства рабоче­го по заданной программе. Изменить или полностью заменить программу работы автомата крайне слож­но, а часто и невозможно. По этой причине эти станки приме­няются в серийном и массовом производстве.

Преимуществом станков с числовым программным управ­лением (ЧПУ) является увеличение количества выполняемых операций, сокращение времени обработки и относительная простота переналадки. Применение станков с ЧПУ дало воз­можность значительно повысить производительность труда (в 2— 4 раза), однако загрузка их заготовками и выгрузка обра­ботанных деталей осуществляются вручную. Кроме того, станки с ЧПУ имеют ограниченный набор инструментов.

Обрабатывающий центр (ОЦ) - многопозиционный ста­нок с ЧПУ - оснащен устройствами для размещения большо­го набора инструмента (магазины) и системой автоматичес­кой замены инструмента. В магазинах ОЦ можно разместить до 150 различных инструментов, позволяющих выполнять до­статочно большое число операций. Важнейшим преимущест­вом является то, что эти многочисленные операции осущес­твляются без снятия заготовки со станка. Применение обра­батывающих центров обеспечивает высокую точность обра­ботки; производительность труда при их использовании возрастает в 3 — 4 раза. Однако ОЦ с ЧПУ выполняют только часть технологических операций по производству готовой продукции. Для получения готового изделия заготовка долж­на пройти обработку на нескольких станках с ЧПУ.

Автоматическая линия (АЛ) — это система автоматичес­ки действующих станков, связанных транспортными средст­вами, имеющая единое управляющее устройство. АЛ могут компоноваться из автоматических станков, станков с ЧПУ и ОЦ. В одной автоматической линии могут работать все ука­занные элементы в различных сочетаниях. АЛ отличаются высокой производительностью. Однако каждую АЛ изготавливают для обработки вполне определенной детали. При изменении конструкции детали производят новую компоновку линии, ее переналадку с частичной или полной остановкой производства.

Отличительной особенностью роторных линий (РЛ) и роторно-конвейерных (РКЛ) является то, что технологические операции выполняются в процессе совместного транспорти­рования обрабатываемых заготовок и инструмента, располо­женных на замкнутых транспортирующих устройствах (роторах).

РЛ представляет собой автоматические линии машин, принцип действия которых основан на совместном движении по окружности инструмента и обрабатываемого им предмета. Все операции по установке детали в ротор, ее обработке и выталкиванию производятся за один неполный оборот диска. Преимущества РЛ — конструктивная простота, надежность, точность и огромная производительность, недостаток -малая гибкость.

Значительно большей гибкостью обладают РКЛ. В таких линиях инструментальные блоки располагаются не на дисках роторов, а на огибающем их конвейере. В этом случае пере­наладка РКЛ на выпуск новой продукции сводится к автома­тической замене инструмента.

Промышленный робот — это автономно-функционирую­щая машина (автомат), предназначенная для воспроизведе­ния некоторых двигательных и умственных функций человека при выполнении основных и вспомогательных про­изводственных операций без непосредственного участия чело­века. Различают три поколения роботов: 1) програм­мируемые роботы, действующие по заданной про­грамме, определяющей последовательность выполнения опера­ций, и работающие по принципу "взять — положить"; 2) адап­тивные (приспосабливающиеся) роботы, действующие по заданной программе и оснащенные ря­дом датчиков, а следовательно, и техническими органами чувств, позволяющими им корректировать свое поведение в за­висимости от окружающей производственной среды; 3) интел­лектуальные, или интегральные роботы, обладающие элементами искусственного интеллекта и возмож­ностью свободного диалога с человеком.

Высшей формой организации промышленного производства является автоматизированное поточное производство. В машиностроении основными направлениями автоматизации являются: применение автоматических поточных линий системы автоматизированных машин; создание автоматизиро­ванных цехов и заводов-автоматов.

Одной из отличительных черт высокоразвитого производст­ва в настоящее время является способность его быстро и свое­временно без значительных затрат осуществлять переход на выпуск новой продукции взамен устаревшей. Тем более, что в машиностроении на долю массового и серийного производства приходится лишь 20 — 25% продукции, а 75 — 80% — это мел­косерийная продукция. Производство этой продукции и раз­личных ее модификаций требует частых остановок, перенала­док и настроек действующего автоматического оборудования. Это приводит к снижению производительности и качества про­изводимой продукции и повышению ее себестоимости, т.е. к снижению эффективности производства. В связи с этим необ­ходимо, чтобы современное производство было гибким. Глав­ным элементом гибкого автоматизированного производства (ГАП) является гибкая производственная система.

Гибкая производственная система (ГПС) включает в себя: гибкие производственные модули (ГПМ) от 2 до 20 единиц; единую автоматизированную транспортно-складскую систему; автоматизированную систему инструментообеспечения; систему централизованного управления от ЭВМ.

Гибкий производственный модуль - это единица автома­тизированного оборудования с ЧПУ, включающая в себя также робототехническую и другие устройства и обладающая возможностью автономного функционирования и оперативно­го переналаживания (например, станок-автомат, обрабаты­вающий центр, формовочная машина, сварочный автомат и т.д.). Такое оборудование способно выполнять в автомати­ческом режиме все технологические операции.

Робототехнические и другие устройства являются неотъемлемой составной частью любого ГПМ. Их назначение — полностью автоматизировать все вспомогательные операции, такие как: загрузка заготовок и удаление обработанных дета­лей; автоматическая подготовка и смена инструмента; удале­ние стружки, подача охлаждающей жидкости и др. ГПМ способен быстро переходить на изготовление и сборку дета­лей и узлов. Такая единица оборудования с успехом исполь­зуется в литейных, кузнечно-прессовых, гальванических, механосборочных и других производствах.

ГПМ снабжен автоматизированной связью со складом за­готовок и деталей.

Единая автоматизированная транспортно-складская систе­ма функционирует по принципу "верни на место", т.е. заго­товки со склада транспортируются к станкам простыми транспортными роботами и возвращаются на склад после об­работки. В итоге через склад деталь может быть направлена от каждого станка к любому другому станку. Однако в случае необходимости (для экономии времени, увеличения загрузки оборудования и т.д.) транспортный робот может сразу пере­дать деталь на соседний станок, минуя склад, конечно, если станок готов продолжить обработку данной детали.

Автоматизированная система инструментообеспечения (АСИ) производит автоматическую подготовку и смену ин­струмента (без вмешательства людей), необходимого для соот­ветствующей программы работ. Например, для бесперебойной работы системы в течение суток в накопителях (магазинах) создается запас необходимого инструмента (несколько ком­плектов различного инструмента). В принципе возможно со­здание АСИ, которая обеспечивала бы гибкую работу обо­рудования до сроков, ограниченных лишь его надежностью.

Система централизованного управления от ЭВМ (СЦУ) выполняет важнейшую функциональную роль в ГПС. Она оп­ределяет порядок запуска деталей в работу и синхронно передает станкам соответствующие программы обработки. При отказе одного из станков ЭВМ перераспределяет его обя­занности между другими станками. ЭВМ управляет работой также транспортно-складской системы и системы инструментообеспечения. ЭВМ определяет маршрут движения деталей по участку и разрабатывает программу инструментообеспече­ния. ЭВМ полностью руководит работой автоматизированно­го склада ГПС. По ее командам складирующий робот периодически извлекает из ячеек детали и помещает их на транспортирующие устройства, а также размещает и извле­кает заготовки различной степени готовности. Все эти по­ступления заготовок, их движение, отгрузка готовых деталей и т.д. фиксируются в памяти ЭВМ.

Технико-экономическая эффективность функционирова­ния ГПС состоит в:

- высокой гибкости и мобильности, что позволяет в ко­роткий срок перестроиться на выпуск новой продукции;

- универсальности - способности обрабатывать широкую номенклатуру деталей (более 200 наименований);

- низкой чувствительности к изменению конструкции об­рабатываемой детали;

- длительных сроках морального устаревания, превышаю­щих сроки их физического износа;

- возможности повышать производительность труда и в не­сколько раз сокращать количество необходимого оборудования;

- возможности лучше использовать технологическое обо­рудование, повысить коэффициент загрузки оборудования;

- сокращении производственного цикла изготовления изделия;

- возможности перейти к созданию гибких автоматизиро­ванных предприятий.

Гибкое автоматизированное производство (ГАП) это сложная интегрированная система, охватывающая весь жизненный цикл продукции (от конструирования до серийно­го производства). ГАП включает в себя следующие автомати­зированные системы (элементы):

1) элементы, образующие ГПС;

2) автоматизированную систему испыта­ний, измерений и контроля качества продукции;

3) автома­тизированную систему диагностики отказов, определения и устранения неисправностей всех применяемых технических средств;

4) систему автоматизации научных исследований;

5) систему автоматизации труда всех ИТР, работающих не­посредственно на производстве.

Значительную роль в получении высокого экономического эффекта при автоматизации играет правильный выбор степе­ни автоматизации технологического процесса. Степень автоматизации определяется коэф­фициентом автоматизации t_авт:

,

где t_{авт.раб} — время работы в автоматическом цикле;

t_цикла — время полного цикла работы.

Этот коэффициент характеризует занятость рабочего и возможность организации многостаночного обслуживания.

Чем выше степень автоматизации, тем меньше Т_шт (штучное время); выше возможность многостаночного обслужива­ния; выше стоимость оборудования и затраты на его модер­низацию; больше затраты времени на переналадку станка для изготовления другой детали; больше размер партии дета­лей, при которой работа на данном станке становится эконо­мически целесообразной.

Правильный выбор степени автоматизации дает возмож­ность найти оптимальное решение для обеспечения наиболь­шего экономического эффекта при минимальных затратах средств на осуществление автоматизации. Экономическую эффективность от проведения автоматизации можно опреде­лить по формуле:

,

где Z — число лет окупаемости затрат (принимается не более че­тырех лет); к — капитальные затраты на проведение автоматиза­ции, руб.;

t _шт.1 и t_шт.₂ — штучное время соответственно до и после автоматизации, ч.;

Зр₁ и Зр₂ — основная зарплата рабоче­го за 1 ч соответственно до и после автоматизации, руб.;

Н₁ и .Н₂ -накладные расходы на основную заработную плату (или стои­мость одного часа работы станка) соответственно до и после авто­матизации;

N — годовая программа выпуска деталей по рассматриваемой операции станка.

Эксплуатация комплексных автоматических линий всегда экономически выгодна.