Рабочая программа. Функциональная и организационная структура ГАП. Структура ГПМ, ГАУ, ГАЦ Основополагающие принципы ГПС. Гибкость системы и ее показатели.

Министерство образования и науки Украины

Донбасская государственная машиностроительная академия

Конспект лекций

По дисциплине

«Технологические основы ГАП»

для студентов специальности 7.090202

заочной и дневной форм обучения

Утверждено

на заседании кафедры

Технологии и управления

Производством

Протокол №

от

Краматорск 2010

УДК 621.9.06-229

Конспект лекций по дисциплине «Технологические основы ГАП» (для студентов специальности 7.090202 заочной и дневной форм обучения). /Сост. В.С.Медведев. – Краматорск: ДГМА, 2010. – с

Конспект лекций разработан на основании программы по дисциплине технологические основы ГАП. В нем рассмотрены вопросы разработки технологических процессов, расчетов технологических параметров, проектирования ГАП. Представлены также необходимые сведения по системам обеспечения работоспособности ГПС.

Составитель В.С.Медведев, ст.преподаватель

Ответственный за выпуск: С.В.Ковалевский, профессор

Оглавление

Модуль 1 Теоретические основы разработки технологий в ГАП

1.1 Термины, определения и основные характеристики ГАП.

Тенденции развития ГАП.

1.2 Структура построения ГАП

1.3 Принципы и аппарат моделирования ГПС.

Применение теории систем массового обслуживания (СМО)

Для моделирования ГАП

Модуль 2. Системы обеспечения функционирования

гибких автоматизированных производств

2.1 Технологическая система и оборудование ГАП

2.2 Технические системы обеспечения работоспособности ГПС

2.3 Информационные системы обеспечения работоспособности ГПС

Модуль 3. Технологические процессы и проектирование

гибких автоматизированных производств

3.1 Разработка технологических процессов для условий ГАП

3.2 Разработка проекта гибкого автоматизированного производства

Модуль 1 Теоретические основы разработки технологий в ГАП

1.1 Термины, определения и основные характеристики ГАП.

Тенденции развития ГАП.

Рабочая программа. Термины и определения. Область применения ГАП. Место ГАП в промышленном производстве. Предпосылки развития ГАП, их преимущества и проблемы создания гибких производств, реализующих «безлюдную» технологию.

При изучении этой темы необходимо уяснить то, что гибкие производственные системы (ГПС) являются особой формой современного производства. Первым этапом в автоматизации многономенклатурного производства стало появление станков с числовым программным управлением, которые позволяют быстро переходить на обработку других деталей путем смены управляющих программ, оснастки и инструментальных наладок. Замена универсальных металлорежущих станков станками с ЧПУ позволила в 5 раз сократить трудоемкость изготовления деталей. Однако осталось достаточно много ручных операций, связанных с переходом на обработку новых изделий. Сокращение потерь вспомогательного времени и повышение эффективности станков с ЧПУ достигались путем увеличения числа инструментов в магазине станка, оснащением станков автоматическими устройствами подачи заготовок на стол станка и удаления готовой продукции на позицию ожидания. Управление станками с ЧПУ по программам, поступающим от центральной ЭВМ, позволило снизить затраты на подготовку управляющих программ и централизовать работу участков и цехов.

Дальнейшее совершенствование производства определило создание ГПС в которых в качестве технологического оборудования применяются гибкие производственные модули (ГПМ). Технические возможности оборудования ГПС постоянно совершенствуются. Различные системы в ГПМ позволяют осуществлять: автоматическую смену заготовок, инструмента и измерительных устройств; автоматический отвод стружки из зоны резания и подачу СОЖ: работу по программе ЧПУ.

ГПМ по сравнению со станками с ЧПУ характеризуются:

- высокой точностью, а также повышенной надежностью всех систем, что исключает постоянное присутствие оператора;

- наличием средств контроля качества и технической диагностики;

- возможностью встраиваться в ГПС путем связи с ЭВМ высшего уровня.

В современном станкостроении наблюдаются тенденции создания широкой гаммы ГПМ с высокой степенью автоматизации и надежности. Именно разработка гибких производственных модулей различного технологического назначения позволяет решить проблему повсеместного внедрения ГПС и принципов гибких технологий.

ГПС обладает сравнительно большой производственной и структурной гибкостью, что выражается в возможности автоматического перехода на обработку любой освоенной детали и функционирования при отказе отдельных элементов. ГПС может автоматически функционировать во вторую и третью смены при ограниченном количестве персонала.

Основные характеристики и классификация ГПС В настоящее время разработан комплекс нормативной документации, направленный на создание единой методической основы ГПС определяющий их унификацию и обеспечивающий высокий технический уровень как самих ГПС, так и их основных компонентов.

В ГОСТ26228-85 в качестве обобщающего используется термин «Гибкая производственная система», под которым понимается совокупность металлообрабатывающего и вспомогательного оборудования (транспортного, накопительного, погрузочно-разгрузочного и т. д.), снабженного средствами и системами обеспечения его функционирования в автоматическом режиме. Как правило, оборудование ГПС имеет системы ЧПУ, а в качестве управляющего вычислительного комплекса используют ЭВМ различного уровня. Термин гибкие автоматизированные производства (ГАП) употребляется чаще всего к конкретному производству. Например ГАП механообработки, ГАП сварки, ГАП штамповки и т.д.

Особенность ГПС заключается в том, что оборудование ГПС в течение заданного периода времени может работать в автоматическом режиме, т. е. с ограниченным участием обслуживающего персонала (так называемый безлюдный или малолюдный режим работы), а переналадку оборудования на изготовление новой продукции осуществляют в автоматизированном (с участием человека) режиме.

Наличие систем ЧПУ, систем обеспечения работоспособности позволяет осуществлять переналадку оборудования с малыми потерями времени. Такие производственные системы обладают свойством быстрой переналадки, в силу чего они получили название гибкие производственные системы.

Основной составной частью любой ГПС для механической обработки заготовок является технологическое обрабатывающее оборудование, которое часто называют основным технологическим оборудованием. Обычно под таким оборудованием понимают гибкие производственные модули (ГПМ), отличающиеся от станков с ЧПУ наличием расширенной номенклатуры средств автоматизации работы станка.

В соответствии с ГОСТ 26228-85 под ГПМ понимают единицу технологического оборудования, оснащенную системой ЧПУ или каким-либо другим устройствам программного управления, функционирующую как самостоятельно, так и в составе ГПС; при этом все функции, связанные с изготовлением деталей, должны осуществляться автоматически.

Классификацию ГПС определяет ГОСТ26962-86 по следующим признакам:

1.По организационным признакам ГПС подразделяют на гибкие автоматические линии (ГАЛ), гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ).

ГАЛ — это ГПС, состоящая из гибких производственных модулей с ЧПУ или из оборудования, управляемого программируемыми контроллерами, объединенного единой автоматизированной системой управления. Структурной особенностью ГАЛ является расположение технологического оборудования в принятой последовательности технологических операций. Отличие от традиционных автоматических линий заключается в том, что на ГАЛ можно обрабатывать заготовки, номенклатура которых была заранее известна в период создания ГАЛ. Однако эти заготовки по своим типоразмерам и характеру обработки однотипны и соответствуют техническим возможностям оборудования ГАЛ. На ГАЛ обрабатываемые заготовки перемещаются в транспортной системе только по заранее определенным маршрутам. При этом гибкость производства обеспечивается за счет применения станков с ЧПУ, возможности смены на станках отдельных агрегатов, узлов и многошпиндельных головок, поворота обрабатываемой заготовки на 360° в транспортной системе и других мероприятий.

ГАУ — это ГПС, состоящая из ГПМ, объединенных автоматизированной системой управления, в которой в отличие от ГАЛ предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования. В состав ГАУ могут дополнительно входить отдельно функционирующее технологическое оборудование, не связанное с остальной системой управления или общей транспортной системой, а также неавтоматизированные рабочие места для выполнения отдельных ручных операций. Например, загрузка-выгрузка обрабатываемых заготовок на приспособления-спутники может выполняться вручную, а доставка спутников с заготовками на станки и закрепление их в рабочей зоне станка — автоматически.

В состав ГАУ и ГАЛ могут входить роботизированные технологические комплексы (РТК). В состав РТК входят технологическое оборудование (станки), промышленный робот (ПР) и дополнительные средства оснащения комплекса, например, магазин заготовок, тактовый стол и т. п. Из РТК компонуют роботизированные технологические линии (РТЛ) или участки (РТУ), которые представляют собой совокупность РТК, связанных между собой транспортными средствами и системой управления, обслуживаемых одним или несколькими ПР. Отличие между РТЛ и РТУ заключается в том, что в РТЛ оборудование устанавливают в последовательности, необходимой для выполнения данного технологического процесса (или процессов), а в РТУ предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

ГАЦ — это ГПС, представляющая собой в различных сочетаниях совокупность ГАЛ, ГАУ, РТЛ, РТУ и отдельных единиц технологического оборудования (в том числе ГПМ) для изготовления изделий заданной номенклатуры.

Гибкий автоматизированный завод — это комплексная производственная система, состоящая из ГАЦ, ГАЛ, ГАУ и других подразделений, оснащенных многоцелевым и другим технологическим оборудованием, работающим в режиме малолюдной или безлюдной технологии. В ГAЗ обычно используют современные передовые технологические процессы обработки. Непременным условием ГAЗ является наличие аппаратных средств и программного обеспечения для проектирования продукции, производственного планирования, изготовления, контроля и управления производством.

2.По функциональному назначению и комплексности изготовления изделий ГПС подразделяют на:

операционные — предназначенные для выполнения однородных технологических операций, являющихся частью комплексного технологического процесса обработки определенной группы заготовок (валов, корпусов, станин и др.), например литья, обработки давлением, сварки и пайки, обработки резанием, термообработки, нанесения покрытий, сборки, контроля, испытаниям и т. п.;

предметные — системы машин, на которых производят полную (комплексную) обработку (от заготовки до готового изделия) определенной группы изделий, например, валов, втулок, корпусов, планок и т.п.;

узловые — системы машин, продуктом производства которых являются комплекты деталей и узлы определенных типоразмеров. Доукомплектацию узлов производят из склада покупных изделий. Узловые ГПС обеспечивают возможность ритмичного поступления узлов на автоматизированный сборочный участок, на котором собирает и при необходимости упаковывает собранные изделия.

3.По уровни автоматизации ГПС характеризуются числом вспомогательных функций, выполняемых b автоматическом режиме. Уровень автоматизации ГПС в значительной степени зависит от уровня автоматизации основного технологического оборудования (ГПМ), из которых комплектуют ГПС.

Область применения ГПС достаточно широка. Вначале они создавались для автоматизации мелкосерийного производства. Однако, учитывая высокие показатели, их область применения расширилась в крупносерийное и массовое производство, а также в единичное производство. При внедрении ГПС важно определить оптимальное соответствие между гибкостью и производительностью. Повышение гибкости (или универсальности), любого технологического оборудования практически всегда влечет за собой снижение его производительности. Наибольшая производительность достигается на автоматических линиях, а наибольшая гибкость — на универсальном оборудовании. Совмещение высокой производительности и универсальности можно добиться в условиях приприменения ГПС. На рисунке 1 приведены области использования ГПС, а также направления повышения гибкости и производительности при использовании различного оборудования.

L – количество партий деталей

N – количество деталей в партии

1 – направление повышения гибкости

2 – направление повышения производительности.

Рисунок 1 – Области использования ГПС

Этапы развития ГПС. В развитии ГПС можно выделить несколько периодов:

60 — 70-е годы — создание первых обрабатывающих центров, промышленных роботов. Разработка микропроцессоров и создание на их основе автоматизированных рабочих мест (АРМ) конструктора и технолога;

80-е годы — начало локально-комплексной автоматизации производства путем создания робототехнических комплексов (РТК), гибких модулей, гибких автоматизированных линий и участков;

90-е годы - появление устойчивых гибких цеховых структур, заводов-автоматов с гибко перестраиваемой технологией и высоким уровнем машинного интеллекта техники управления производством.

Внедрение ГПС связано, прежде всего, с изменением схемы организации производства, что влечет за собой появление новой прогрессивной технологии и оборудования для ее реализации.

1.2 Структура построения ГАП

Рабочая программа. Функциональная и организационная структура ГАП. Структура ГПМ, ГАУ, ГАЦ Основополагающие принципы ГПС. Гибкость системы и ее показатели.

Структура ГПС. Функционирование ГПС поддерживают системы обеспечения работоспособности. Их условно можно разделить на технические и информационные. Согласно ГОСТ 26228-85 в состав ГПС входят следующие системы:

АТСС – автоматизированная транспортно складская система;

АСИО – автоматизированная система инструменто обеспечения;

АСУО – автоматизированная система уборки отходов;

АСУ – автоматическая система управления;

АСК – автоматическая система контроля;

САПР ТП – система автоматизированного проектирования технологических процессов;

АСТПП – автоматическая система технологической подготовки производства;

АСНИ – автоматическая система научных исследований.

На рисунке 2 приведены наиболее общие связи в структуре ГПС.

.

УВК – управляющий вычислительный комплекс

ТС – технологическая система

Рисунок 2 – Структура ГПС

В АСТПП ведется подготовка производства (подготовка заготовок, расходных материалов и т.д.) и после разработки технологических процессов в САПРТП все данные передаются в АСУ которая в свою очередь управляет информационными и техническими системами. АСК отслеживает проходящие процессы в технологической системе и передает полученные данные в систему анализа АСНИ. Благодаря обратной связи в АСНИ поступают данные и с других систем. После анализа полученных данных АСНИ передает рекомендации в АСТПП где происходит коррекция данных. ГПС построены по иерархическому принципу. Это обеспечивает высокую надежность в работе. Такие системы характерны на всех уровнях.

Рисунок 3 – трехуровневая система управления ГПС.

где: сплошная стрелка – управляющая связь, пунктирная - информационная связь. На каждом уровне первичная информация поступает в АСТПП.

Основополагающие принципы ГПС. Они определяют идеологию функционирования ГПС на всех этапах работы. К ним относятся.

1. Принцип совмещения высокой производительности и универсальности.

2. Принцип высокой технологической гибкости – предполагает возможность быстрой переналадки технологического оборудования на выполнение различного вида операций.

3. Принцип модульности – предполагает разделение всего технологического оборудования на модули с целью быстрого устранения отказа что способствует соблюдению первого принципа.

4. Принцип концентрации операций – предполагает объединение как можно большего числа операций на одной единице оборудования.

5. Принцип иерархичности – предполагает наличие многоуровневой системы управления.

6. Принцип безлюдного производства или ограниченного количества персонала – предполагает минимум количество людей в производственном цикле, наличие которых ведет к снижению производительности.

7. Принцип системной организации:

- принцип самоорганизации – предполагает наличие всех систем жизнеобеспечения у каждой единицы ГПС, что позволяет им функционировать в автономном режиме.

- принцип технологической универсальности – предполагает возможность обработки деталей различной номенклатуры.

Гибкость системы. Под гибкостью станочной системы, понимают ее способность быстро перестраиваться на обработку новых деталей в пределах, определяемых техническими возможностями оборудования и технологией обработки группы деталей. Сложность автоматизированных станочных систем предопределила наличие различных аспектов гибкости, которые в совокупности характеризуют скорость адаптации системы к изменению производственной ситуации. Высокая степень экономически целесообразной гибкости обеспечивает более полное удовлетворение требований заказчика, оперативный переход к выпуску новой продукции, сохранение оправданного характера мелкосерийного производства, согласование сроков изготовления со сроками поставки оборудования, автоматизацию технологической подготовки производства на базе вычислительной техники, снижение затрат на незавершенное производство.

Гибкость состояния системы заключается в ее способности хорошо функционировать при различных внешних и внутренних изменениях. Внешние изменения связаны с появлением нового ассортимента изделий, применением более прогрессивной технологии, повышением квалификации обслуживающего персонала. Внутренние изменения или неполадки определяются наличием сбоев в системе управления станками и материальными потоками, отклонением во времени обработки, отсутствием оператора, качеством обработки

Гибкость действия должна обеспечивать возможность легко включать в систему новые станки и инструменты для увеличения ее мощности в связи с увеличением объема производства. Это свойство позволяет более оперативно следить за изменениями требований рынка, конъюнктуры, проявлений моды и мобильно наращивать мощность выпуска в зависимости от требований развития индустриального производства.

Процессы обработки деталей в гибких системах основаны на принципах групповой технологии, которая предусматривает классификацию деталей по признакам формы, технологии, применяемого оборудования и т п.

Гибкость системы группирования должна проявляться в возможности расширения семейства обрабатываемых деталей путем включения новых, появившихся в связи с изменением номенклатуры производства. Такая система позволяет расширить жесткие рамки типажа деталей, быстро и успешно перестраивать производство однотипной продукции на качественно новом уровне

Гибкость технологии определяется способностью системы учитывать изменения в составе выполняемых технологических операции и оценивается размером подмножества операций, которые могут быть выполнены системой в случае изменения производственной ситуации. Система управления должна оценивать вероятность появления определенной технологической операции и возможность ее выполнения в гибком комплексе. Другой оценкой гибкости технологии может служить время адаптации, т. е. время, необходимое для переналадки системы на выполнение группы операций.

В многостаночной системе при выполнении операций поочередно на каждом станке должна быть решена задача минимизации перевозок и сокращения транспортных задержек. При этом необходимо учитывать время переналадки и перехода к другим операциям на каждом станке. Обычно технология допускает различные последовательности выполнения операций. С одной стороны, это открывает возможность рационального построения технологического процесса с учетом ряда стратегий управления, в том числе решаются вопросы оптимальной загрузки станков, очередности выпуска деталей по номенклатуре в пределах временного графика, минимизации перемещений робота и др. С другой стороны, необходимость иметь в системе различные материальные потоки вызывает ряд сложностей, заключающихся в блокировании некоторых станков при недостаточном объеме предстаночных буферно-накопительных устройств, появлении конкурирующих операций, простое определенных видов станочного оборудования. В этой связи решение затронутых проблем может быть достигнуто путем математического моделирования технологических операций и производственных ситуаций.

Система с высокой гибкостью технологии имеет высокую гибкость оборудования, которая характеризует способность системы справляться с переналадками в станках. Проблема обеспечения гибкости оборудования решается путем организации заделов перед станками, выбора однотипных многооперационных станков с ЧПУ, унификации транспортных устройств, зажимных элементов и наборов инструментов, автоматизации подготовки управляющих программ. Общая гибкость оборудования системы зависит от гибкости станочной единицы, поэтому при проектировании комплексов следует стремиться включить в их состав однотипное оборудование, что позволяет оперативно наращивать мощность системы путем создания параллельных потоков, эффективно бороться со сбоями в отдельных станках и быстро осваивать новые технологические процессы путем выделения для этой же цели группы станков.

Гибкость технологии на уровне станочного оборудования может быть увеличена путем расширения возможностей станка: совершенным программным управлением, бесперебойным обеспечением инструментом в автоматическом цикле, переходом с трехкоординатной к пятикоординатной обработке и т. п.

Гибкость транспортной системы выражается в бесперебойной и оптимальной загрузке металлорежущего оборудования по определенной наперед заданной стратегии управления. Это относится не только к своевременному питанию станочной системы заготовки и решению задач межоперационного транспорта, но и к обеспечению всех станочных единиц режущим инструментом. Система управления транспортными средствами должна учитывать возможные сбои технологического оборудования, и ее реакция на сбои должна быть адекватной в новой ситуации. Транспортная система должна иметь достаточно объемный склад, который позволил бы свести к минимуму задержки, связанные с ожиданием заготовок. Построение транспортных маршрутов связано с рациональной планировкой комплекса, которая должна решаться с учетом минимизации перемещений материальных потоков. Для повышения гибкости транспортной системы необходимо предусматривать на ее входе наличие сенсорных устройств, обеспечивающих распознавание заготовок и кодированного инструмента.

Суммарная гибкость станочного комплекса во многом зависит от гибкости системы обеспечения инструментом. Необходимо отдавать предпочтение централизованному питанию станочных единиц инструментальными блоками, которое позволяет уменьшить количество используемых инструментов по сравнению с индивидуальным питанием отдельных станков. При этом значительно уменьшаются простои инструмента, повышается коэффициент его использования, упрощаются внестаночная заточка и настройка инструмента.

Гибкость системы управления комплексом характеризуется тем, что оптимизация технологического процесса может и должна продолжаться после запуска системы. Гибкая система управления обеспечивает наиболее рациональное построение маршрутов обработки и транспортных потоков с точки зрения различных критериев: обеспечения максимального выпуска продукции, удовлетворения требований сборки, достижения наивысших показателей качества путем оптимизации режимов резания, оптимального календарного планирования выпуска по номенклатуре и т. д. Система управления должна не только иметь библиотеку микроинструкций по управлению процессом механической обработки, но и обладать способностью совершенствования путем запоминания дополнительных инструкций, связанных с изменением производственной ситуации,

Организационная гибкость производства, заключающаяся в возможности простого и незамедлительного перехода на обработку любой из освоенных системой деталей, позволяет руководству оперативно ликвидировать организационные простои оборудования, которые не связаны с его надежностью, а в большей степени вызваны отсутствием требуемых заготовок, инструмента, обслуживающего персонала и т. п.

Организационная гибкость существенно зависит от гибкости обслуживающего персонала. Важным условием обеспечения высокого коэффициента использования комплекса является освоение смежных профессий внутри бригады, достижение взаимозаменяемости обслуживающего персонала, применение современных форм бригадного подряда.

Рассмотренные аспекты гибкости станочных систем находятся в противоречии с производительностью. Поэтому при увеличении гибкости технологии необходимо минимизировать ухудшение производительности и при этом добиваться максимального использования оборудования путем уменьшения времени переналадки при переходе на обработку другой детали. Решение таких конкурентных задач может быть получено путем математического моделирования производственных ситуаций на ЭВМ.

Сохранение всех принципов гибкости станочных систем дает возможность осуществить идею комплексной автоматизации мелкосерийного производства на основе применения современного технологического оборудования с ЧПУ, вычислительной техники и промышленных роботов.

Для сравнительного анализа и оптимизации ГПС необходимо иметь возможность оценивать степень гибкости системы с помощью интегрального показателя, который должен отражать функционально-технические возможности системы и не содержать экономических показателей. В качестве показателя гибкости принята монотонно изменяющаяся от 0 до 1 величина g. Степень гибкости определяется числом различных функциональных состояний n (количество переналадок), которые ГПС может дискретно принимать в пределах своих технических возможностей, и временем перехода t_ij (время переналадки) из одного функционального состояния i во второе j. Тогда в качестве первой составляющей показателя степени гибкости принимают технологическую гибкость

Это выражение стремится к единице при n®¥ и обращается в нуль при n=1.

Время T перехода от одного состояния ГПС к другому определяется как сумма времен каждого перехода:

Второй составляющей показателя гибкости является организационная гибкость которую можно определить как отношение суммы времен всех переходов ГПС к плановому периоду времени T_п, принятому за базовый при аттестации и сравнительной оценке ГПС. В качестве T_п может быть принят, например, действительный фонд времени ГПС за определенный период времени:

при

Это выражение стремится к единице с уменьшением суммарного времени переходов ГПС и обращается в нуль с приближением суммарного времени переходов из одного состояния в другое к T_п.

Интегральный показатель степени гибкости ГПС определяют как

Оценка гибкости производственных систем необходима при определении их экономической эффективности и целесообразности применения ГПС в различных производственных условиях.