Автоматизированного производства

Автоматизация производства в машиностроении развивается в направлении созда­ния автоматических станков и агрегатов, автоматических по­точных линий, автоматических участков, цехов и даже заводов.

Степень автоматизации производственных процессов может быть различной. При частичной автоматизации часть функций по управлению оборудованием автоматизирована, а часть - выполняется рабочими-операторами (полуавтоматические комплексы). При комплексной автоматизации все функции управления автоматизированы, рабочие только налаживают технику и контролируют ее работу (автоматиче­ские комплексы).

При комплексной автоматизации производственных про­цессов должна применяться такая система автоматических машин, при которой процесс превращения исходного матери­ала в готовый продукт происходит от начала до конца без фи­зического вмешательства человека. Для этого требуется ав­томатизация не только технологических, но и всех вспомога­тельных и обслуживающих операций. Комплексная автоматизация производственных процессов является главным направлением технического прогресса, обеспечивающим дальнейший рост производительности тру­да, снижение себестоимости и улучшение качества продукции.

Этапы развития автоматизации производства определяются развитием средств производства, электронно-вычислитель­ной техники, научных методов технологии и организации про­изводства. Исторически первыми были созданы автоматические линии с жесткой кинематической связью. Для второго этапа развития автоматизации характерно появление электронно-програм­много управления: были созданы станки с ЧПУ, обрабатываю­щие центры и автоматические линии, содержащие в качестве компонента оборудование с программным управлением. Переходом к третьему этапу развития автоматизации по­служили новые возможности ЧПУ, основанные на примене­нии микропроцессорной техники, что позволило создавать принципиально новую систему машин, в которой сочетались бы высокая производительность автоматических линий с требованиями гибкости производственного процесса. Более высокий уровень автоматизации характеризуется создани­ем автоматических заводов, оснащенных обору­дованием с системами искусственного интеллекта.

Наиболее распространенным вариантом комплексной автоматизации производства является использование автоматических производственных линий (АЛ).

Автоматическая линия - это система согласованно работа­ющих и автоматически управляемых станков (агрегатов), транспортных средств и контрольных механизмов, размещенных по ходу технологического процесса, с помощью которых обрабатываются детали или собираются изделия по заранее заданному технологическому процессу в строго определенное время, называемое тактом АЛ.

Роль рабочего на АЛ сводится лишь к наблюдению за рабо­той линии, к наладке и подналадке отдельных механизмов, а иногда - к подаче заготовки на первую операцию и снятию гото­вого изделия на последней операции. Это позволяет рабочему одновременно управлять значительным числом машин и механизмов. Харак­тер труда рабочего при этом меняется коренным образом и все более и более приближается к труду техника и инженера.

Основным параметром (нормативом) АЛ является произ­водительность. Производительность линии определяется по произ­водительности последнего выпускающего станка. Принято различать тех­нологическую, цикловую, фактическую, потенциальную произ­водительность линии.

Технологическая производительность АЛ характеризует возможное число полных рабочих ходов линии в единицу времени и определяется по формуле:

;

(13.1)

где t_м – машинное время непосредственной обработки детали, т.е. время рабочих ходов станков линии или т.н. основное время (t_о), мин.

Цикловая производительность АЛ характеризует возможное число рабочих циклов линии в единицу времени и рассчитывается по формуле:

;

(13.2)

где Т_ц – продолжительность одного рабочего цикла линии, мин.

;

(13.3)

где t_х – время холостых ходов рабочих машин, связанных с загрузкой и разгрузкой, межстаночным транспортированием, зажимом и разжимом деталей, т.е. вспомогательное время (t_в), мин.

t_оп – оперативное время обработки одной детали, мин.

Для большинства АЛ продолжительность рабочего цикла и всех его элементов остается неизменной в процессе работы машины, в связи с чем значения технологической и цикловой производительности являются постоянными величинами. В реальных условиях периоды бесперебойной работы рабочих машин АЛ чередуются с простоями, вызванными различными причинами. Вследствие этого, фактическая производительность АЛ отклоняется от цикловой и определяется по формуле:

;

(13.4)

где К_и.в – коэффициент использования рабочих машин линии по времени:

;

(13.5)

где F_эф – эффективный фонд времени работы рабочих машин АЛ в анализируемом периоде, мин.;

Т_пр – время простоев рабочих машин в этом же периоде, мин.;

t_пвц – время внецикловых простоев, приходящихся на единицу продукции, мин.

;

(13.6)

где t_пр – время собственных (режимных) простоев АЛ, мин.;

t_пр – время организационно-технических простоев АЛ, мин.

Учитывая выражения 13.5 и 13.6, формулу 13.4 можно переписать в виде:

;

(13.7)

Собственные (режимные) простои линии функционально связаны с ее конструкцией и режимом работы. Их величина определяется конструктивным совершенством линии, ее надежностью, квалификацией обслуживающего персонала. К ним относятся простои, связанные с регулировкой механизмов, подналадкой и текущим ремонтом оборудования линии, сменой инструмента на рабочих машинах и т.п.

Организационно-технические простои обусловлены внешними причинами, функционально не связанными и не зависящими от конструкции АЛ и системы ее обслуживания. К таким причинам относятся отсутствие заготовок, неявки рабочих, брак на предыдущих стадиях производственного процесса и т.п.

С учетом потерь времени только по причинам режимного характера, определяется потенциальная производительность АЛ:

;

(13.8)

Соотношение различных показателей производительности позволяет определить эффективность работы АЛ. Для этого принято рассчитывать т.н. коэффициент технического использования АЛ (К_т.и) и коэффициент ее общего использования (К_о.и):

;

(13.9)

;

(13.10)

Автоматические линии с гибкой связью как правило оснащаются независимым межоперационным транспортом, по­зволяющим передавать детали с операции на операцию неза­висимо от другой пары операций. После каждой операции на линии создается бункерное устройство (магазин) для накопления межопераци­онного задела, за счет которого осуществляется непрерыв­ная работа станков.

В современных условиях развития автоматизации произ­водства особое место принадлежит использованию промышлен­ных роботов.

Промышленный робот - это механическая система, вклю­чающая манипуляционные устройства, систему управления, чувствительные элементы и средства передвижения. С помо­щью промышленных роботов можно объединять технологи­ческое оборудование в отдельные робототехнические комплек­сы различного масштаба, не связанные жестко планировкой и числом комплектующих агрегатов. Принципиальными отличиями робототехники от традици­онных средств автоматизации являются ее широкая универ­сальность (многофункциональность) и гибкость (мобиль­ность) при переходе на выполнение принципиально новых операций.

Промышленные роботы находят применение во всех сфе­рах производственно-хозяйственной деятельности. Они ус­пешно заменяют тяжелый, утомительный и однообразный труд человека, особенно при работе в условиях вредной и опасной для здоровья производственной среды. Они способны воспро­изводить некоторые двигательные и умственные функции че­ловека при выполнении ими основных и вспомогательных про­изводственных операций без непосредственного участия ра­бочих. Для этого их наделяют своеобразными сенсорными способностями, а также способ­ностью к самоорганизации, самообучению и адаптации к внеш­ней среде.

Промышленный робот - это перепрограммируемая авто­матическая машина, применяемая в производственном про­цессе для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям человека, при перемещении предметов труда или технологической оснастки.

В историческом развитии промышленных роботов выделяются три базовых ступени. Роботы первого поколения (автоматические манипулято­ры), как правило, работают по заранее заданной «жесткой» программе (например, в жесткой связи со станками, оснащен­ными ЧПУ). Роботы второго поколения оснащены системами адаптив­ного управления, представленными различными сенсорными устройствами (например, техническим зрением, очувствленными схватами и т.д.) и программами обработки сенсорной информации. Роботы третьего поколения наделены искусственным ин­теллектом, позволяющим выполнять самые сложные функции при замене в производстве человека.

Разнообразие производственных процессов и условий про­изводства предопределяют наличие различных типов роботи­зированных технологических комплексов (РТК) - ячеек, участ­ков, линий и т. д.

Классификация РТК по типу роботизированного подразде­ления основывается на количественной характеристике вы­полняемых комплексом технологических операций.

Простейшим типом РТК, который положен в основу более крупных комплексов, вплоть до целых роботизированных предприятий, является роботизированная технологическая ячейка (РТЯ), в которой выполняется небольшое число технологических операций. Примером РТЯ может быть роботизированная единица технологического обору­дования с ЧПУ.

Более крупным роботизированным комплексом является роботизированный технологический участок (РТУ). Он выпол­няет ряд технологических операций и включает несколько еди­ниц РТЯ. Если операции осуществляются в едином техноло­гическом процессе на последовательно расположенном обо­рудовании, то в таком случае комплекс представляет собой роботизирован­ную технологическую линию (РТЛ).

Структурно РТК может быть представлен в виде цеха, со­стоящего из нескольких РТУ, РТЛ, автоматизированных скла­дов и связывающих их транспортных промышленных роботов (робоэлектрокаров). Высшей формой организации производ­ства является создание комплексно роботизированного заво­да.

В зависимости от вида роботизированного производствен­ного процесса, РТК могут быть предназначены для получения заготовок, механической обработки деталей, выполнения процессов сборки, либо для реализации контрольно-сортировочных и транспортно-перегрузочных операций, в том числе - для внутрицехового транспортирования и складских операций.

Проектирование РТК осуществляется в два этапа. На первом осуществляется анализ производственных проблем, выбираются возможные объекты роботизации, состав основного технологи­ческого оборудования, вид движения деталей, система рацио­нального автоматизированного управления технологическим процессом и функциональными задачами. На втором этапе осу­ществляется непосредственное проектирование РТК, предполагающее:

a) форми­рование структуры, определение количества и характеристик промышленных роботов и технологического оборудования;

b) разработку рациональных планировок оборудования РТК в производственном помещении;

c) составление и отлаживание алгоритмов и программных систем управления РТК..

Компоновочные варианты РТК зависят от решаемых тех­нологических задач, уровня автоматизации, числа и типажа промышленных роботов, их технических и функциональных возможностей. Как правило, компоновочные варианты РТК ос­новываются на принципах индивидуального и группового об­служивания оборудования промышленными роботами.

Возможны три основных варианта индивидуального обслуживания:

a) робот встраивается в тех­нологическое оборудование;

b) робот размещается рядом с оборудо­ванием;

c) несколько роботов обслуживают единицу оборудова­ния.

При групповом обслуживании робот взаимодействует с несколькими единицами технологического оборудования, при этом возможны два варианта компоновки:

a) линейное расположение обору­дования вдоль робота;

b) круговое расположение оборудования вокруг робота.

Выбор оптимальных параметров и рациональных конструк­торских решений в период проектирования РТК производится с учетом ряда организационно-экономических факторов, таких, в частности, как про­изводительность РТК, ожидаемый уровень его надежности и эффективности функционирования и т.д.

К числу основных параметров РТК относятся:

1. проектная потенциальная производительность;

2. фактическая производительность;

3. уровень надежности;

4. такт РТК.

Одним из важных показателей, характеризующих эффективность функционирования РТК является уровень его надежности. Этот показатель рассчитывается по формуле:

;

(9.3.7)

где t_ом – время, затрачиваемое на техническое и организационное обслуживание РТК в анализируемом периоде;

t_отк – наработка РТК на отказ за период;

t_вос – среднее время восстановления работоспособности РТК в случае его отказа.