|
В гл. 10 введено понятие о гибком
автоматизированном производстве (ГАП), которому присущи одновременно высокие
гибкость, автоматизированность и производительность. По этим важнейшим
показателям ГАП являются наиболее современными и перспективными типами
производства Под гибким автоматизированным производством понимают
органическое сочетание гибкой технологии, позволяющей быстро и с минимальными
затратами перестроить производство на выпуск нового вида продукции, с
автоматизацией взаимосвязанных технологических операций и процесса управления
ими, исключающие необходимость непосредственного участия людей в
производственном процессе. Такое ГАП, требующее участия минимального
количества людей для осуществления функций контроля, наладки, устранения
неожиданных помех, стало возможным на базе применения промышленных роботов с
их способностью к быстрому и легко осуществимому программированию, или
переобучению. Таким образом, промышленные роботы сыграли решающую роль при
переходе от обычных к гибким , автоматизи рован ным производствам.
Для улучшения уяснения сущности ГАП следует остановиться
на некоторых сопутствующих понятиях, и прежде всего - на гибких
производственных системах (ГПС). Это обобщенное наименование используется
применительно к различным совокупностям технологического оборудования,
функционирующим в автоматизированных режимах и способным в той или иной мере
также автомати- зированно переналаживаться на выпуск изделий других типов,
т.е. обладающим гибкостью. В зарубежной литературе для обозначения таких
систем широко используется аббревиатура FMS - Flexible Manufacturing Sistems.
Сотни ГПС, созданных к настоящему времени, весьма разнообразны как по своей
масштабности, так и уровню автоматизации.
По первому признаку - масштабности среди ГПС различаются
1) гибкие производственные модули (ГПМ) или ячейки (ГПЯ),
каждый из которых состоит из единицы технологического оборудования,
соответствующего средства автоматизации основных и вспомогательных операций и
дополнительного периферийного оборудования; структурно ГПМ являются наиболее
простыми автономно функционирующими гибкими производственными системами и
могут, объединяясь между собой, образовывать более сложные, т.е., образно
высажаясь, служат "крипичиками", из которых складываются сложные
ГПС; важнейшим качеством, которое придается гибким
производственным модулям, является возможность встраиваться в систему более
высокого уровня;
2) гибкие автоматизированные линии (ГАЛ) и участки
(ГАУ), включающие ряд ГПМ, которые объединяются общей автоматизированной
системой управления; при этом в гибких автоматизированных линиях оборудование
располагается по технологическому маршруту в заданной последовательности, а
на участках - свободно в любой последовательности;
3) гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ),
представляющие собой совокупности гибких автоматизированных линий и участков,
а также отдельных модулей;
4) гибкие автоматизированные заводы (ГАЗ),
полностью интегрированные в единую систему комплексы гибких автоматизированных
цехов, причем в общем случае в состав завода, помимо автоматизированных
систем, могут входить также отдельные автономные неавтоматизированные цехи и
участки.
По второму признаку - уровню автоматизации ГПС принято
разделять на два вида: гибкие производственные комплексы (ГПК) и гибкие
автоматизированные производства, которые, как и все относительно сложные
структурно ГПС, состоят из ряда ГПМ с общими автоматизированными системами
управления технологическими и транспортно-складскими процессами.
ГПК определяется как гибкая производственная система,
состоящая из нескольких ГПМ, объединенных автоматизированной системой
управления и автоматизированной транспортно-складской системой, автономно
функционирующая и имеющая возможность встраивания в систему более высокой
ступени автоматизации. Основное отличие ГПК от ГАП заключается в том, что в
состав последнего дополнительно к автоматизированным системам управления
технологическими и транспортно-складскими операциями вводятся
автоматизированные системы: проектирования (САПР), технологической подготовки
производства (АСУ ТПП) и некоторые другие, т.е. ГАП по отношению к ГПК
находится на более высокой ступени автоматизации.
Таким образом, гибкое автоматизированное производство
представляет собой ГПС, состоящую из одного или нескольких ГПК, объединенных
автоматизированными системами управления производством и
транспортно-складскими процессами (АСУП), и осуществляющую автоматизированный
переход на изготовление новых изделий с помощью системы автоматического
проектирования, автоматизированной системы технологической подготовки
производства и автоматизированной системы научных исследований (АСНИ). По
масштабности ГАП может представлять собой линию, участок, цех или завод.
Создание ГАП - сложная научно-техническая и производственная
задача Как у нас в стране, так и за рубежом существует значительное
количество гибких автоматизированных производств, повышающих
производительность по сравнению с обычными технологиями в несколько раз.
Высшей формой такого производства является гибкое
автоматическое производство, которое могло бы функционировать автономно, без
участия людей, а задача человека-оператора сводилась бы к выдаче
целеуказательной команды на выпуск нового вида продукции. Таких производств
пока не существует, но во всем мире ведутся интенсивные научные исследования
по их созданию.
Многообразие типов гибких производственных систем и
необходимость однозначного определения каждой из них потребовали создания
ГОСТ26228-85 "Системы производственные гибкие. Термины и
определения", к которому следует обращаться при рассмотрении проблем,
связанных с ГПС. Терминология зарубежной литературы может в ряде случаев
отличаться от установленной отечественным стандартом. Например, термин ГАП за
рубежом имеет ограниченное применение; вместо него употребляется общий термин
- ГПС (FMSJi
Как отмечено выше, базовым элементом любой ГПС, в том
числе и ГАП, является гибкий производственный модуль, в состав которого кроме
системы автоматического управления входят:
1) технологическое оборудование (металлорежущий
станок, пресс, установка для сварки, технологический робот и др.),
непосредственно обеспечивающее обработку заготовки и формирование изделия;
2) подъемно-транспортные и перегрузочные
устройства, в том числе обычно промышленный робот (манипулятор, автооператор
и др.), выполняющие необходимые манипуляции по перемещениям заготовок,
деталей и инструмента в пределах ГПМ;
3) вспомогательное периферийное оборудование,
обеспечивающее выдачу, упорядоченное накопление, ориентирование и прием
заготовок, деталей и инструмента;
4) контрольно-измерительные устройства,
осуществляющие контроль и совместно с другими системами управление качеством
технологического процесса;
5) оборудование по удалению отходов обработки
(стружки, облоя, обрезков и т. п.).
Основу ГПМ составляет автоматизированное технологическое
оборудование, в частности, для ГПМ механообработки - металлорежущие станки с
числовым программным управлением - токарные, расточные, фрезерные,
сверлильные и другие - либо многоцелевые комплексные станочные агрегаты -
обрабатывающие центры. Около половины металлорежущих станков, используемых в
ГАП, относятся к многоцелевым. Такой обрабатывающий центр может выполнять
различные технологические операции, например, токарные, фрезерные и
сверлильные, причем все они производятся при одной установке заготовки на
станок, что исключает затрату времени на перестановку заготовки, уменьшает
потребное количество станков, экономит производственную площадь. Особенно
эффективно применение обрабатывающих центров при изготовлении корпусных
деталей, имеющих значительное количество поверхностей, требующих различных
видов обработки.
Для выполнения вспомогательных операций по перемещению
заготовок и деталей между периферийными устройствами и станком в состав ГПМ,
как правило, включается промышленный робот. Иногда в составе ГПМ роботы могут
выполнять и основные технологические операции (сварка, сборка и др.).
Для эффективного использования в ГАП гибкие
производственные модули должны обладать комплексом следующих качеств:
возможностью функционировать в полностью автоматическом
режиме на протяжении требуемого отрезка времени (одной-двух смен и более);
способностью быстро перестраиваться на выпуск других видов
изделия при минимальном участии человека (в пределе - автоматически), т.е,
обладать уровнем гибкости, соответствующим задачам и сущности ГАП;
возможностью организации' постоянной и надежной
информационной связи с общей системой управления ГАП, причем информация
должна быть двухсторонней, т.е. передаваться от общей системы управления к
ГПМ и наоборот;
способностью органически встраиваться в гибкую систему
более высокого уровня.
Обеспечение этих качеств зависит прежде всего от
совершенства утройств управления ГПМ, которые строятся на основе числового
программного управления.
Работы по использованию систем ЧПУ для различного
оборудования, и прежде всего для металлорежущих станков, развернулись еше в
1950-х годах. К настоящему времени уже создано четыре поколения систем ЧПУ,
отличающихся совершенством, функциональными возможностями, элементной базой,
конструкцией и др. Для ГПМ, включаемых в состав ГАП, наиболее эффективно
использование систем ЧПУ четвертого поколения, выполняемых на базе микроЭВМ.
Обычно их называют системами ЧПУ типа CNC (Computer Numerical Control).
Важнейшим их достоинством является широта функциональных возможностей, что
позволяет применять для управления практически любым технологическим и
вспомогательным оборудованиями (станками, роботами, транспортными
устройствами и др.).
Таким образом, современный ГПМ в составе ГАП представляет
собой комплекс технологического и вспомогательного оборудований,
непосредственно управляемого ЧПУ типа CNC. В состав ГПМ, в зависимости от его
сложности, входит одна или более базовых для систем ЧПУ микроЭВМ, которые
связаны информационной линией связи с центральной ЭВМ, расположенной в центре
управления ГАП. По каналу связи от центральной ЭВМ в память микроЭВМ
однократно (после первого включения) вводится системное программное
обеспечение и, по мере недобности, управляющие программы, периодическая смена
которых и обеспечивает гибкость функционирования ГПМ. В свою очередь микроЭВМ
передает центральной ЭВМ информацию, касающуюся статистических данных
выполнения заданий, неисправностей в системе и др. Если несколько ГПМ
образуют общее производственное подразделение (например, линию), то микроЭВМ
этих ГПМ, помимо связи с центральной ЭВМ, связываются и между собой, что
совершенствует их технологическое взаимодействие. При большом количестве
микроЭВМ в таком подразделении между центральной ЭВМ и микроЭВМ гибких
производственных модулей могут устанавливаться промежуточные ЭВМ, превращая
тем самым двухуровневую систему управления в трехуровневую. В пределах одной
ГАП возможно сочетание двух- и трехуровневых систем, т.е. применение
комбинированной системы управления.
Рассмотрим общую структуру гибкого автоматизированного
производства
Поскольку большинство ГАП используется для механической
обработки различных деталей, в том числе и наиболее сложных - корпусных,
рассматриваемая схема ориентирована прежде всего на механообработку, хотя
аналогичные структуры ГАП могут быть реализованы и для иных технологических
процессов, например, сборочных, сварочных
Несколько ГПМ, связанных между собой общими
технологическими процессами и управлением, образуют структурно более сложные
гибкие производственные системы - ГПК. Так, на схеме для примера показаны ГАУ
в составе двух ГПМ и ГАЛ в составе четырех ГПМ.
В целом ГАУ и ГАЛ с включенными в их состав ГПМ,
транспортно- складской системой и системой управления от ЭВМ образуют гибкий
производственный комплекс, который по масштабности можно отнести к гибкому
автоматизированному цеху. В общем случае в состав этого цеха могут входить и
некоторые неавтоматизированные подразделения, например, в рассматриваемом на
схеме случае - участок подготовки инструмента.
Следует заметить, что для ГПК сложился оптимальный
количественный состав технологического оборудования 4-10 станков. При их
малом количестве - до четырех - использование центральной ЭВМ экономически
нецелесообразно, при большом количестве - свыше 20 - существенно усложняется
система управления комплексом, что также связано с экономическими издержками.
Как показано на схеме, ГАУ и ГАЛ связаны транспортными
линиями с автоматизированным складом, содержащим необходимое количество
заготовок, деталей и инструмента. Наиболее удобно для целей ГАП склады с
высотными клеточными стеллажами, обслуживаемые автоматизированными
кранами-штабелерами. Такие склады, занимая сравнительно небольшую площадь,
обеспечивают высокую пропускную способность, удобны для автоматизации.
Заготовки и детали со склада к ГАУ и ГАЛ, а также в обратном направлении
поступают (сплошные стрелки на 11.1) с помощью специальных транспортных
средств, тип которых зависит от конфигурации и протяженности трасс, а также
от вида и параметров перемещаемых грузов. Около половины транспортных средств
современных ГПС составляют различные устройства непрерывного транспорта
(конвейеры, карусели, наклонные лотки и др.), другую половину - устройства
дискретного действия (подвижные ПР, рельсовые и безрельсовые тележки, а также
другие виды транспорта). Подача исправного металлорежущего и измерительного
инструментов со склада к ГПМ и изношенного в обратном направлении
производится по специальным трассам (штриховые стрелки на 11.1) и
специальными транспортными средствами. В отдельных случаях, например, при
очень протяженных-трассах, транспорт для деталей и инструмента может
объединяться.
Общее управление функционированием ГАП и перемещением
транспортных потоков осуществляется из центра управления ГАП с центральной
ЭВМ и пультом управления. К центральной ЭВМ, помимо автоматизированной
системы управления производством, дополнительно подключены автоматизированные
системы проектирования технологической подготовки производства, научных
исследований и некоторые другие, обусловленные спецификой конкретного ГАП и
не показанные на схеме. Характеризуя в целом систему управления ГАП, следует,
в первую очередь, отметить ее иерархичность; обычно используются три уровня
управления ГАП - верхний, средний и низший.
Верхний уровень управления реализуется прежде всего АСУП и
тесно связанными с ней САПР и АСУ ТПП. В состав этих систем входят АРМ
(автоматизированные рабочие места) и ЭВМ верхнего уровня. На этом уровне
осуществляется планово-экономическое управление производством, ведется учет
состояния производственных процессов, разрабатываются, хранятся и передаются
на средний уровень управления управляющие программы, формируются
сменно-суточные задания и пр. В целом верхний уровень может быть назван
организационным.
Средний уровень управления ГАП осуществляется
непосредственно в центре управления ГАП, включающем центральную ЭВМ и рабочее
место оператора (пульт - на 11.1). На этом уровне осуществляется хранение
ограниченного (например, суточного) запаса управляющих программ, производится
ввод последних в системы ЧПУ технологического и транспортно-складского
оборудований, ведется оперативный учет количественного и качественного
выполнений сменно-суточных заданий, материального и документального
обеспечений производства, координируется работа всех элементов ГПК в реальном
масштабе времени и др. Средний уровень управления ГАП может быть определен
как диспетчерский.
Нижний уровень управления реализуется микроЭВМ, входящими
в состав ГПМ и транспортно-складских систем. На этом уровне происходит
непосредственное управление процессами обработки деталей и
транспортно-складскими операциями, что позволяет назвать нижний уровень
технологическимк
Таким образом, система управления ГАП является
иерархической системой последовательно связанных уровней управления -
верхнего, (организационного), среднего (диспетчерского) и нижнего (техно-
огического).
Разработка (проектирование) и реализация ГАП - задачи
исключительной сложности, о чем свидетельствует и мировой опыт: из нескольких
сот существующих ГПС в полной мере к ГАП могут быть отнесены лишь несколько
десятков. Однако во многих развитых странах прилагаются большие усилия по
совершенствованию ГПС и приданию им формы ГАП.
В гл. 10 мы уже касались эффективности использования ПР в
различных робототехнических системах Отмечалось, что высокая эффективность ПР
обусловлена автоматичностью его работы, повышенными гибкостью и
производительностью. Кроме того, конструкция ПР, содержащая "руку"
(или "руки") с большими манипуляционными возможностями, позволяет
оперировать захватным устройством в значительном по объему рабочем
пространстве, придает универсальность промышленному роботу, расширяет его
функциональные возможности. Для иллюстрации широты диапазона применения ПР в различных
ГАП приведем перечень областей использования их в этих производствах на
примере металлообрабатывающих
обслуживание металлорежущих станков с ЧПУ - взятие
заготовки из накопителя, установка ее на станок, съем готовой детали со
станка и укладка ее в накопитель;
обслуживание конвейеров - перемещение изделий с конвейеров
к накопительным устройствам и наоборот;
транспортирование изделий по относительно протяженным
трассам (подвесные монорельсовые ПР и робокары);
выполнение складских работ - перемещение изделий с
транспортных средств в ячейки стеллажей и обратно;
обеспечение (подача, смена) инструментом станков;
удаление отходов производства (главным образом, элементной
и витой стружки);
выполнение основных технологических операций (например,
сборочных, сварочных и др.).
Эффективность применения ПР для выполнения тех или иных
функций в системе ГАП во многом зависит от правильности и обоснованности
выбора типа робота, т.е. от степени соответствия технических возможностей ПР,
сложности и особенности технологического процесса, в котором он используется.
В целом к ПР, используемым в составе ГАП, предъявляется
ряд специфических требований: полный автоматизм в работе, стыкуемость с
обслуживаемым оборудованием, высокая надежность. Остановимся коротко на этих
требованиях
Под полным автоматизмом работы ПР подразумевается не
только выполнение без участия человека комплекса последовательных основных и
вспомогательных технологических операций по какой-либо конкретной программе,
но и возможность автоматической перенастройки ПР при замене предмета
производства При этом команда на перестройку ПР поступает через иерархическую
систему управляющих ЭВМ. В связи с необходимостью автоматизации перенастройки
включенных в систему ГАП промышленных роботов для последних практически исключается
программирование методом обучения, широко используемым в других случаях, а
вместо этого применяют автоматическое программирование, при котором
управляющая программа для ПР заблаговременно готовится автоматизированными
системами ГАП, например, САПР, АСУ ТПП и др.
Стыкуемость ПРс обслуживаемым оборудованием является одним
из гарантов получения высокой технико-экономической эффективности
использования ПР в системе ГАП. Естественно, что стыкуемость прежде всего
касается параметров робота (его грузоподъемности, размеров рабочей зоны,
скоростей движения рабочего органа и др.), определямых параметрами
технологического процесса и потребностями обслуживаемого технологического
оборудования. Конструктивная сложность ПР в большинстве случаев должна
соответствовать сложности технологического оборудования.
В системе ГАП обычно используются универсальные или
узкоспециализированные ПР. Универсальные ПР легко обеспечивают хорошую
стыкуемость с обслуживаемым оборудованием, обладают высокой потенциальной
гибкостью, не требуют сложных периферийных устройств, но являются наиболее
дорогими из-за своей сложности. Последнее обстоятельство может ограничивать
возможность их применения в отдельных ГАП.
Узкоспециализированные ПР, отличающиеся относительной
простотой и, следовательно, относительной дешевизной, для обеспечения
надлежащей стыкуемости с различным технологическим оборудованием требуют
усложнения периферийного оборудования, что особенно проявляется при
необходимости повышения степени гибкости производства. Во многих > случаях
при выборе между универсальным и узкоспециализированным ПР наиболее
рациональным является компромиссное решение, например - выбор ПР агрегатно-
модульного построения (см. гл. 9).
Высокая надежность ПР при их работе в составе ГАП имеет
важнейшее значение, поскольку непредвиденный выход из строя одного из ПР
может парализовать работу всего ГАП, если не предусмотрены какие-либо
технологические структуры. Важнейшим критерием надежности является
минимальная гарантированная продолжительность безотказной работы -
"наработка на отказ". Сейчас минимальная "наработка на
отказ" - 400 ч, однако актуальной задачей является повышение этой
величины в 2,5-3 раза и более.
В заключение гл. 10 и 11, где рассматривались аспекты
применения ПР в различных производствах, следует отметить, что нельзя
переоценивать возможности ПР. Роботы не всемогущи. К тому же современный ПР
пока дорог и сложен; для отдельных его модулей не обеспечена необходимая
надежность манипуляционной и управляющей систем; иногда он неконкурентоспособен
по отношению к рабочему или специальному автомату. ПР может быть опасным для
человека и его окружения. И все же несомненно, что промышленные роботы - один
из самых перспективных классов машин. Их мировой парк постоянно растет, и
стремительно расширяются области применения. Достижения науки и техники
(особенно развивающейся микропроцессорной техники), а также опыт роботизации
производства позволяют совершенствовать конструкции промышленных роботов,
которые уверенно выходят на одно из первых мест среди других машин в
производственной и исследовательской деятельности человека.
Литература [13, 16, 17, 18, 24, 27, 38, 56, 59, 62, 64,
65, 66, 67, 69, 70, 73, 75, 78, 90].
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Какова общая характеристика ГПС - гибких
производственных систем ?
2. Как классифицируют ГПС по их масштабности ?
3. Как классифицируют ГПС по уровню автоматизации
?
4. Как определяется понятие ГПК - гибкого
производственного комплекса и в чем его отличие от ГАП - гибкого
автоматизированного производства ?
5. Каковы определение и общая характеристика ГАП ?
6. Каковы характеристика и состав ГПМ - гибкого
производственного модуля как базового элемента ГАП ?
7. Каким комплексом качеств должен обладать ГПМ
для эффективного использования в ГАП ?
8. За счет чего и как обеспечивается, в первую
очередь, реализация комплекса качеств ГПМ ?
9. Каково общее структурное построение ГАП и
характеристика входящих в него элементов ?
10. Каков может быть состав ГПК, входящего в общую
систему ГАП?
11. Какова характеристика системы управления ГАП, и
какие уровни она предусматривает ?
12. Каков диапазон использования промышленных
роботов в различных ГАП ?
13. Какие требования предъявляются к ПР,
используемым в ГАП?
|