8. Этапы развития современной автоматизации производства (на примере машиностроения)
В области машиностроительного производства в большинстве развитых стран Европы и Америки за прошлый век современная автоматизация прошла три характерных этапа. На диаграмме (рис.29) эти этапы обозначены римскими цифрами, а арабскими (с 1 по 12) отмечены различные группы автоматического оборудования, появившиеся на соответствующих этапах.
Рис. 29. Три этапа автоматизации машиностроения
Первый этап автоматизации – охватывает примерный промежуток времени между двумя мировыми войнами и характеризуется разработкой, созданием и использованием в производстве отдельных рабочих машин и станков-автоматов.
1. Универсальные станки с ручным управлением обладали небольшой производительностью, почти нулевым коэффициентом автоматизации (имелся механизированный самоходный суппорт), однако они имели высокую гибкость и универсальность.
2. Универсальные автоматы и полуавтоматы (например, многошпиндельные токарные станки), которые имели более высокий коэффициент автоматизации Kа и более высокую производительность Q:
где ta – время выполнения работ автоматически;
tруч – время выполнения работ вручную.
где Tц – рабочий цикл машины (время выдачи одной детали), определяется по формуле:
где tp.x. – время рабочих ходов;
tx.x – время холостых (вспомогательных) ходов.
Автомат – самоуправляемая рабочая машина, самостоятельно производящая все, как рабочие, так и холостые ходы (движения).
Полуавтомат – это автомат, у которого отсутствует какой-то механизм холостого хода (например: загрузки-разгрузки) и для возобновления цикла необходимо вмешательство человека.
Рис. 30. Структура автомата
3. Специальные и специализированные автоматы были разработаны для нужд массового производства, они обладали высочайшей производительностью и были полностью автоматизированы, но в ущерб гибкости и универсальности.
4. Агрегатные станки позволили разрешить противоречие между большой производительностью высокоавтоматизированного оборудования и возможностью его переналадки на выпуск новых деталей. В них был реализован принцип агрегатирования - метод построения более сложных систем из ограниченного набора унифицированных, стандартных, типовых элементов, блоков, агрегатов.
Задачи, решаемые на I этапе:
– автоматизация механизмов холостых (вспомогательных) ходов;
– разработка механизмов управления.
Высшей формой автоматизации первого этапа считалось поточное производство, когда технологическое оборудование (станки) располагаются линейно в направлении выполняемых технологических операций.
Параллельно с развитием техники развивалась и теория автоматизации. Научной основой автоматизации производственных процессов явилась теория производительности автоматических рабочих машин Г.А.Шаумяна, над которой он начал работать еще в 1933 г. По его теории цель автоматизации – это повышение производительности рабочих машин, сокращение численности рабочих, получение экономического эффекта в сравнении с неавтоматизированным производством. Математическую основу теории производительности составляют уравнения, связывающие технологические, конструктивные, экономические и др. показатели рабочих машин.
Второй этап автоматизации - характеризовался разработкой и внедрением систем автоматических машин (прежде всего автоматических линий).
5. Автоматическая линия (АЛ) - это система машин, расположенных в последовательности технологического процесса, связанная единой транспортной системой, имеющая единую систему автоматического управления и предназначенная для выполнения всех технологических операций без участия человека. Задача человека сводится к первоначальной наладке оборудования и устранению неполадок. Структурная схема АЛ представлена на рис.31.
Рис. 31. Структурная схема АЛ
Были разработаны и внедрены различные автоматические линии:
– АЛ из универсальных автоматов;
– АЛ из специальных и специализированных автоматов;
– АЛ из агрегатных станков.
В этом можно увидеть повторяемость спирали развития автоматизации на втором (более высоком) этапе.
6. Станки и участки станков с ЧПУ – высокоавтоматизированное универсальное оборудование для автоматизации мелкосерийного и единичного производства, особенностью которых явилось: большая производительность, высокий коэффициент автоматизации, высочайшая гибкость и легкость переналадки. Существенным недостатком станков с ЧПУ была их ручная загрузка и разгрузка.
7. Промышленные роботы (ПР) и роботизированные технологические комплексы (РТК) - это перепрограммируемые рабочие машины, предназначенные для воспроизведения двигательных функций руки человека. Именно внедрение ПР позволило решить вопросы автоматического обслуживания станков с ЧПУ.
Рис. 32. Структурная схема промышленного робота
8. Внедрение средств вычислительной техники в производство
Использование ЭВМ при автоматизации производства на этом этапе развивалось в двух направлениях:
– создание микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием (автоматами, станками с ЧПУ, АЛ, ПР, РТК);
– автоматизация обработка технологической информации (САПР, АСТПП, АСКИ, АСУП).
Задачи, решаемые на II этапе:
– разработка межстаночного транспорта;
– разработка систем автоматического контроля (например, активного контроля качества изделия в процессе его изготовления);
– разработка систем автоматического управления на базе электронных устройств;
– внедрение ЭВМ в производство.
Высшей формой автоматизации второго этапа считается создание систем машин (автоматических линий, участков станков с ЧПУ и РТК).
Третий этап автоматизации - это этап комплексной автоматизации, когда в автоматическом (или автоматизированном) режиме реализуются практически все этапы жизненного цикла технических изделий (рис.1). Малая (частичная) автоматизация, характерная для первых двух этапов, означала автоматизацию отдельных переходов и операций технологического процесса.
9. На третьем этапе были успешно разработаны и широко внедрены в различные массовые производства автоматические цеха (АЦ) и заводы (АЗ) на основе:
- автоматических линий из универсальных автоматов;
- автоматических линий из специальных автоматов;
- автоматических линий из агрегатных станков.
10. Гибкие производственные модули (ГПМ) - это совокупность единицы технологического оборудования, средств программного управления им и устройств, обеспечивающих автоматическую работу этого оборудования, возможность программной его перестройки и встраиваемость в гибкие системы более высокого уровня (рис.33).
Рис. 33. Структурная схема ГПМ
11. Гибкие производственные системы (ГПС) – это несколько единиц технологического оборудования, снабженные средствами и системами, обеспечивающими их автоматическое функционирование и легкость переналадки при переходе на производство новых изделий в пределах заданной номенклатуры (рис.31). В машиностроительном производстве ГПС реализуются в виде гибких автоматических участков и гибких переналаживаемых автоматических линий.
На рис. 34 приняты следующие обозначения:
ГПМ – гибкий производственный модуль;
РТК – роботизированный технологический комплекс;
ОЦ – обрабатывающий центр (многооперационный станок);
АС + БШН – агрегатный станок с быстросменными шпиндельными наладками;
ГСМ – гибкий складской модуль;
ГТМ – гибкий транспортный модуль;
ГАУ – гибкий автоматический участок;
ГПАЛ – гибкая переналаживаемая автоматическая линия;
ПМО – программно-математическое обеспечение;
ПЛК – программируемые логические контроллеры;
УЭВМ – управляющие ЭВМ.
Рис. 34. Структурная схема ГПС
1
2.
Гибкое
автоматизированное производство (ГАП)
или интегрированный
производственный комплекс (ИПК),
в которые
помимо ГПС входят:
– автоматизированная система управления производством;
– система автоматизированного проектирования;
– автоматизированная система технологической подготовки производства;
– автоматизированная система контроля и испытания объектов.
Задачи, решаемые на III этапе: автоматизация всех составных частей жизненного цикла технического изделия.
Высшей формой автоматизации третьего этапа является гибкое автоматизированное производство (ГАП), достоинствами которого являются:
– увеличение коэффициента использования оборудования;
– снижение простоев оборудования;
– сокращение цикла обработки деталей;
– снижение себестоимости единицы продукции;
– уменьшение численности рабочих;
– сокращение суммарных производственных затрат.
В настоящее время на различных предприятиях можно встретить практически все рассмотренные выше группы автоматизированного оборудования. На рис. 35 и 36 представлены графики, поясняющие эффективность и экономичность применения различных средств автоматизации в разных производствах в зависимости от номенклатуры и программы выпуска технических изделий.
10 000
200
50
10
1 2 5 100 500
Рис. 35. Области эффективного использования ГАП
Рис. 36. Область эффективной автоматизации