Структура и принципы создания ГПС (гибкие производственные системы)

Содержание
Введение
1. Структура гибких производственных систем
Термины и определения гибких организационных структур производства, в состав которых входят ГПС, ГПЯ. ГПМ (1, с. 7)
Система обеспечения функционирования (СОФ) гибкой производственной системы
Автоматическая транспортная система (АТС)
Система автоматизированного контроля (САК)
2. Принципы создания гибких производственных систем
Принцип совмещения высокой производительности и универсальности
Принцип модульности
Принцип иерархичности
Принцип преимущественной программной настройки
Принцип обеспечения максимальной предметной замкнутости производства
Принцип совместимости технологических, программных, информационных, конструктивных, энергетических и эксплуатационных элементов
3. Анализ структуры и принципов работы ГПМ механо-обрабатывающего производства
ГПМ механообрабатывающего производства корпусных деталей
Конструкторско-технологическая характеристика корпусных деталей, обрабатываемых в ГПМ модели АЛП-3-2
Состав и структура ГПЛ модели АЛП-3.2
Автоматизированная система управления АЛП-3-2
Автоматизированная транспортно-складская система АТС-2
Приемно-передающие агрегаты спутников АТС-2
4. Заключение, литература
Список использованной литературы:

Структура и принципы создания ГПС (гибкие производственные системы)

При мелкосерийном и серийном производстве, как правило, используются станки с автоматизированным циклом обработки, однако загрузка и выгрузка производится вручную. Так же производительность разных станков, стоящих в одной технологической цепи различна, что может приводить как к простою оборудования, так и к увеличению межоперационных запасов и времени изготовления продукции. Некоторые описанные недостатки можно устранить или минимизировать, например, используя накопители и магазины заготовок, однако принципиально изменить ситуацию на таком производстве не целесообразно (увеличивает стоимость продукции за счет изготовления накопителей и пр.).
При массовом производстве, при использовании автоматических линий с прерывным и непрерывным ритмом, с полностью автоматизированными процессами обработки и транспортировки большинство (или даже все) вспомогательные операции автоматизированы. В результате обеспечивается высокая производительность при минимальном времени изготовления изделий.
При этом номенклатура выпускаемых изделий сильно ограничена, а также эффективность всей системы сильно страдает от неполадок с оборудованием (при поломке одного станка встает вся линия). В результате, чем сложнее продукция и дольше время изготовления (чем больше единиц оборудования, обеспечивающих процесс изготовления), тем больше простои и меньше эффективность.
Таким образом, классическое мелкосерийное и серийное производство имеют слабые места, количество которых усиливается значительным использованием ручного труда (особенно при многосменном режиме работы), особенно, если требуется неквалифицированный ручной труд. По оценкам экспертов потери рабочего времени на таких производствах могут достигать 10% рабочего времени (1, 244).
Решением вышеописанных проблем стало внедрение в мелкосерийное и серийное производство гибких производственных систем. Данная технология позволила увеличить производительность труда без привлечения дополнительной рабочей силы, увеличить эффективность использования капитальных вложений (зданий, сооружений и оборудования) за счет многооперационности и многономенклатурности, увеличить сложность изготавливаемой продукции за счет большего разнообразия станков, используемых на различных операциях.
Современное гибкое автоматизированное производство - это производственная система (линия, участок, цех, завод), в которой реализуется комплексно-автоматизированное групповое многономенклатурное производство, оперативно перестраиваемое в определенном параметрическом диапазоне продукции, а работа всех производственных комплексов синхронизируется как единое целое многоуровневой автоматизированной системой управления.
В ГПС может быть предусмотрена возможность оптимизации производственного процесса по выбранным критериям. Например, можно задать такие параметры процесса, при которых себестоимость продукции будет минимальной, или, при необходимости, настроить систему на максимум производительности, не считаясь с некоторым увеличением расходов на единицу продукции.
При использовании ГПС снижается простой при поломке оборудования (за счет изменения номенклатуры на время ремонта отдельного станка), облегчается планирование при сбое в поставках заготовок, инструмента и т.п.
Как пример удачного внедрения ГПС можно привести опыт создания ГПС на Днепропетровском электровозостроительном заводе. Это позволило в 3.3 раза повысить производительность труда, высвободить 83 человека и сократить парк станков на 53 единицы (3, 51).
Создание ГПС стало возможным благодаря бурному развитию вычислительной техники и программного обеспечения, компьютеризации оборудования и самого производства.
Использование современных средств вычислительной техники и программного обеспечения не исключает участие человека в управлении производством. В зависимости от степени автоматизации изменяются только решаемые задачи и характер деятельности человека.
Внедрение контрольных систем и систем обратной связи помогает уменьшить негативное влияние человека на результаты работы системы, однако пока переложить на автоматизированные системы все функции по управлению производством не представляется возможным.
Отсюда следует, что современная ГПС находится в том числе и под управлением высококвалифицированного персонала, который должен обеспечивать решение задач по управлению и обслуживанию ГПС и систем управления ГПС в нормальных условиях работы и в аварийных ситуациях.
К основным обязанностям диспетчера обычно относится (2, 182):
- контроль работы средств автоматического управления ГПС, технологического производства и состояния оборудования по показаниям приборов или информации на дисплее;
- оперативное вмешательство в работу системы при возникновении неисправности всей системы или отдельных устройств, при работе системы управления в нештатных ситуациях (пожар, скачки напряжения в сети и пр.);
- связь с другими службами и регистрация нестандартной ситуации;
- обеспечение продолжения производственного процесса при полном или частичном отказе основной системы автоматического или автоматизированного управления.
На основе всего вышесказанного можно сформулировать основные принципы создания ГПС (3, 61).
Принцип совмещения высокой производительности и универсальности
Данный принцип предполагает оптимальное совмещение универсальности и автоматизации программно-управляемого и программно-перенастраиваемого оборудования на базе современной продукции электронного машиностроения.
Гибкие производственные системы, должны иметь производительность сравнимую с производительностью автоматических линий, а по номенклатуре должны максимально соответствовать универсальному оборудованию, что становится залогом для интенсификации производства.
Принцип модульности
Данный принцип означает, что все ГПС строятся на базе гибких производственных модулей (ГПМ). Типовые модули ГПС разработаны для основных видов производств изделий самой разной продукции.
Принцип иерархичности
ГПС имеет многоуровневую структуру. На самом нижнем уровне находятся гибкие автоматизированные модули, на высших уровнях - гибкие автоматизированные линии, участки, цехи, предприятия в целом. Модульность и иерархичность позволяют разрабатывать ГПС для самого высокого организационного структурного уровня.
Принцип преимущественной программной настройки
Оборудование ГПС, как основное, так и вспомогательное, при смене изделий должно перенастраиваться автоматически, путем запуска новых управляющих программ-модулей. Перенастройка модулей вручную допустима в минимальных объемах и только в случаях очевидной неэффективности реализации программной перенастройки.
Принцип обеспечения максимальной предметной замкнутости производства
Данный принцип на низшем уровне структуры ГПС позволяет свести к минимуму затраты на транспорт и обработку. Принцип означает, что на данном участке или линии ГПС должно происходить полное изготовление одного изделия или сборочной единицы (узла, блока). При этом достигается снижение количества общего операций (например, за счет отсутствия транспортных и складских операций) при общем повышении гибкости ГПС.
Принцип совместимости технологических, программных, информационных, конструктивных, энергетических и эксплуатационных элементов
Технологическая совместимость обеспечивает единство технологии производства и взаимозаменяемость оборудования при автоматизированном производстве. Она требует выполнения определенных условий к изделию, к технологии и к технологическому оборудованию.
Изделие должно быть максимально технологично с точки зрения возможности автоматизации его производства, например, для однозначности распознавания самого изделия, его ориентации и позиционирования деталей при автоматической сборке. Для этого конструкторам и технологам необходимо предусматривать специальные отличительные признаки: реперные знаки, базовые поверхности и др.
Кроме этого, изделия должны обладать высокой степенью конструктивного и технологического подобия, необходимого для организации группового производства.
Достигается это требование на уровне конструкторской и технологической разработок, унификацией технологии производства изделий и их полуфабрикатов, унификацией конструкции деталей, комплектующих и изделий в целом.
В свою очередь, все компоненты ГПС: приспособления, оснастка, автоматические устройства загрузки-выгрузки, станочное оборудование - должны в наивысшей степени удовлетворять требованиям гибкой автоматизации.
Информационная совместимость подсистем ГПС обеспечивает их оптимальное взаимодействие при выполнении заданных функций.
Для ее достижения служат стандарты связи с ЭВМ, одинаковые для различного оборудования в одной ГПС, строгая регламентация параметров входных и выходных сигналов модулей на всех иерархических уровнях системы, строгая регламентация параметров входных и выходных сигналов для исполнительных устройств (7, 8).
В условиях постоянного повышения стоимости программного обеспечения больших систем, во все больших пропорциях превышающей стоимость оборудования, особенно важное значение приобретает внутри- и межуровневая программная совместимость оборудования.
Конструктивная совместимость обеспечивает единство и согласованность геометрических параметров, эстетических и эргономических характеристик.
Она достигается созданием единой конструктивной базы для функционально подобных модулей всех уровней при условии обязательной согласованности конструкций деталей и сборочных единиц с конструкциями сборочных единиц высших уровней и изделия в целом.
Эксплуатационная совместимость обеспечивает возможность эксплуатации оборудования в одних условиях (диапазон влажности и температуры воздуха и т.п.), примерно равную долговечность, ремонтопригодность, надежность, и метрологические характеристики (работа в единой системе измерения) и т.д.
Энергетическая совместимость обеспечивает снижение капитальных и эксплуатационных затрат: согласованность потребляемых энергетических ресурсов: воды, электроэнергии, сжатого воздуха, жидких газов, вакуума и т.д. При комплектовании ГПС необходимо стремиться к минимальному количеству разновидностей применяемых видов энергии.
Созданию ГПС предшествует анализ производственного процесса на данном предприятии с целью определения степени готовности предприятия к созданию ГПС. Необходимо определить соответствует ли организационно-технологическая структура данного предприятия принципам группового производства, т.е. каковы объемы и номенклатура продукции, станочного парка, системы управления производством, объемом ручного труда и пр.
Создание ГПС включает в себя большой круг разнородных работ: разработку системы, конструирование специализированных приборов и средств автоматизации, проектирование помещений для ЭВМ, подготовку обслуживающего персонала и операторов - технологов, комплектацию технических средств, монтаж и наладку системы, ее сдачу и эксплуатацию. Все эти работы должны быть четко скоординированы единым планом-графиком. Как правило, создание ГПС средней сложности занимает 3-4 года.
Сегодня создание ГПС может осуществляться тремя путями.
- покупка готовых технологий (заводов) на Западе.
Сам по себе путь тупиковый, так как редко позволяет выпускать конкурентоспособную продукцию.
- создание ГПС на базе отечественной промышленности.
Производство новой, сложной высокотехнологической продукции, агрегатов и изделий должно проектироваться с обязательным применением автоматизированных систем управления технологическими процессами. К сожалению, данный процесс в условиях современной России весьма затруднен и редко обходится без помощи западных контрагентов.
- создание ГПС для действующих технологических комплексов. В этом случае внедрение ГПС относится к техническому перевооружению производства и ответственность за него несет само предприятие. Разработка системы может осуществляться либо силами самого предприятия, либо специализированной организацией.
Данный путь развития очевидно и планируется президентом Д.А, Медведевым, в его программном заявлении о необходимости модернизации производства в России.
3. Анализ структуры и принципов работы ГПМ механо-обрабатывающего производства
В состав ГПС механообработки входят: ГПС изготовления деталей типа «тела вращения», ГПС изготовления плоских деталей, ГПС изготовления корпусных деталей. Ниже, в качестве примера, рассмотрим иерархию, состав, структуру и процесс функционирования ГПС изготовления корпусных деталей на уровне их реализации в виде ГПМ, ГПЛ, ГАУ и ГАЦ.
Элементной базой ГПМ механообрабатывающего производства являются станки с ЧПУ, обрабатывающие центры (ОЦ), промышленные роботы (ПР).
Состав оборудования ГПМ определяется конструктивно-технологическими характеристиками обрабатываемых деталей, используемыми в ГПМ, АСС, АТС и ПР.
Наиболее полно главным принципам построения ГПМ требованиям к основному технологическому оборудованию с ЧПУ и ОЦ отвечают станки сверлильно-фрезерно-расточной группы — обрабатывающие центры — для обработки корпусных и плоскостных деталей. В частности такое оборудование может использоваться при производстве блоков цилиндров двигателей и других корпусных деталей автомобиля (картеров коробок передач, раздаточных коробок, корпусов редукторов трансмиссии и т.п.). (9, 32)
Одним из таких станков является многоцелевой горизонтально-фрезерно-расточной обрабатывающий центр модели 2204ВМФ4 (рис. 1), предназначенный для комплексной обработки корпусных деталей средних размеров с четырех сторон без переустановки. Приведем некоторые технические данные указанного станка (10, 156).
Размеры рабочей поверхности стола – 500х400 мм. На станке можно производить получистовое и чистовое фрезирование плоскостей, пазов, криволинейных поверхностей концевыми, торцевыми, дисковыми фрезами; растачивание, сверление, зенкование, нарезание резьбы метчиками. Станок оснащен устройством для контроля угла поворота, позволяющим нарезать резьбу резцом, а также автоматически устанавливать ориентированный по углу инструмент. Поворотный стол, индексируемый с высокой точностью, позволяет расширить технологические возможности станка, в том числе обрабатывать соосные отверстия консольным инструментом.
Станок имеет бесконсольную вертикально-подвижную шпиндельную бабку, расположенную внутри продольно-подвижной стойки, поперечно-подвижный поворотный стол, устройство для автоматической смены инструмента с инструментальным магазином барабанного типа на 30 позиций, монтируемым на верхнем торце стойки. Станки оснащаются как встроенным поворотным столом без автоматической системы спутников, так и устройствами для автоматической смены спутников.
Наиболее перспективным направлением в области создания ГПМ механообработки является использование в составе данных ГПМ блочно-модульных промышленных роботов (ПР). Применение блочно-модульного принципа построения ПР позволяет из ограниченного типового ряда функциональных элементов создавать ПР различного назначения без избыточного числа степеней подвижности и устройств, упростить их конструкцию и обслуживание, сократить сроки и затраты на их изготовление, освоение, внедрение и эксплуатацию.
Примером модульного принципа создания ПР для обслуживания более 30 моделей металлорежущих станков с горизонтальной осью шпинделя является ПР (модель СМ40) с гидравлическим приводом и позиционной системой управления.
Системы ЧПУ (рис. 2.) являются наиболее распространенным типом систем управления технологическим оборудованием (станки, ОЦ, ПР) и, в свою очередь, должны рассматриваться как типовая элементная база АСУ ГПМ механообработки деталей ЭА. Она обеспечивает подготовку и ввод данных, управление движением рабочих органов станков, технологией (режимы и параметры операции, перехода), инструментом, оснасткой.
Рис. 1 - Многоцелевой горизонтальный сверлильно-фрезерно-расточной станок модели 2204ВМФ4
1— основание; 2 — стол; 3 — шпиндельная бабка; 4 — инструментальный магазин; 5 — шпиндель
.
Рис. 2 - Общая структура системы с ЧПУ
1 — аппаратура связи с ЭВМ верхнего уровня, периферийные устройства ввода-вывода данных; 2 — устройство с ЧПУ; 3 — станция питания; 4 — блок управления двигателями подачи и привода главного движения; 5 — двигатели приводов подачи и привода главного движения; 6 — измерительные преобразователи перемещений рабочих органов станка; 7 — кинематическая система станка; 8 — нормирующие и согласующие блоки измерительных каналов; 9 — измерительные датчики параметров ТП; 10 — сигнальные датчики фиксированных положений рабочих органов; 11 — рабочие органы пульта управления станка
Названные модули имеют самые разнообразные компоновки, что связано с:
производственными факторами, обеспечивающими возможность многостаночного обслуживания;
многообразными организационно-технологическими формами производства;
большой протяженностью технологических маршрутов;
многообразием типов металлорежущего оборудования и станочной оснастки;
наличием многономенклатурного измерительного и контрольного инструмента;
большим объемом и различными видами стружки;
наличием разметочных, контрольных и других операций по технологическому потоку.
На рис. 3. показана типовая структура ГПМ механообработки модели 8М. Указанная модель ГМП предназначена для автоматизированной сверлильно-фрезерно-расточной обработки корпусных деталей на приспособлениях-спутниках.
Характерной особенностью рассматриваемых ГПМ является наличие вспомогательного оборудования: магазин схватов (предусматривается автоматическая смена захватных устройств при подаче АТСС новых деталей или резком изменении конфигурации обрабатываемых деталей); кантователь-ориентатор (осуществляет непрерывный комплекс движений по загрузке-разгрузке оборудования, смена баз может потребовать перехват детали роботом); накопитель (складирование полуфабрикатов в тару без загрузки тары, связанной с АТСС); моечная машина; контрольно-измерительная машина.
Заготовка поступает в таре, которую располагают на приемном столе АТСС. Обработанные детали складываются в тару, которая также функционирует в системе АТСС. Управление ПР и обеспечение взаимосвязи всех устройств обеспечивается СПУ.
Рис. 3 - ГПМ изготовления корпусных деталей
1 — технологическое оборудование (станки типа ЛФ-260МФЗ 21103Н7Ф4, ИР-320); 2 — приемо-зажимное устройство; 3 — накопительно-подающее устройство; 4 — комплект приспособлений спутников; 5 — устройство для крепления деталей на приспособлениях-спутниках; б — устройство управления модулем; 7 — устройство связи системы ЦПУ станка с устройством управления модуля
ГПМ механообработки корпусных деталей в общем случае состоит из многоинструментального станка, накопителя, столов-спутников, устройства автоматической загрузки-выгрузки столов-спутников со стола станка, замены режущего инструмента, уборки стружки, контрольно-измерительной системы.
ГПМ механообрабатывающего производства корпусных деталей
Рассмотрим структуру и принцип работы многономенклатурных ГПМ механообработки корпусных деталей (на примере ГПЛ типа АПЛ-3-2) как наиболее сложных из всех видов ГПМ механообработки.
Конструкторско-технологическая характеристика корпусных деталей, обрабатываемых в ГПМ модели АЛП-3-2
Корпусные детали (рис. 4) изготавливаются в основном литьем из мягких алюминиевых (реже, чугунных или магниевых) сплавов или из поковок. Корпусные детали обрабатываются по наружным поверхностям, которыми они стыкуются с другими деталями и узлами. Стыковочные поверхности в большинстве корпусных деталей имеют хороший доступ для обработки режущим инструментом и располагаются под углом 90°. В некоторых деталях стыковочные поверхности ограничены уступами криволинейной (цилиндрической) или прямоугольной формы, которые также подлежат обработке.
В корпусных деталях имеется большое количество соединительных каналов-отверстий, отверстий сложной формы с канавками прямоугольного или фасонного профиля и крепежных отверстий с резьбой., которыми они стыкуются при сборке с другими деталями, что вызывает высокие требования к отклонению взаимного расположения поверхностей.
Все это приводит к тому, что обработка таких деталей на автоматизированных линиях является технологически необходимой, особенно при серийном производстве.