Рис. 2.5.7 Гибкий производственный модуль изготовления деталей

Типа «тела вращения

а – робот установки заготовок и съема готовых деталей; б – устройство удаления стружки

Основу данного ГПМ составляет токарный станок с ЧПУ, у которого имеется робот установки заготовок и съема готовых деталей (см. рис.2.5.7, а) и устройство отбора стружки (рис.2.5.7,б).

Помимо данных устройств ГПМ должен оснащаться и устройствами контроля состояния технологического инструмента и его замены в случае необходимости, так как его состояние сказывается на качестве выполнения технологических операций, а следовательно и на изделии. В плане конструктивного исполнения данная составляющая ГПМ представляет собой автоматические измерительные инструменты и специальный робот смены инструмента. Системы управления всех элементов ГПМ имеют уровень DNC и получают управляющие программы по каналам передачи информации от АСУТП верхнего уровня.

С развитием номенклатурного ряда гибких производственных модулей к ним стали разрабатывать специальные транспортные роботы для передачи заготовки с одной единицы оборудования на другую (рис.2.5.8), а также автоматизированные склады для хранения промежуточной и готовой продукции. (рис.2.5.9).

Рис.2.5.8 Робот для автоматического транспорта заготовок

Рис. 2.5.9 Роботизированный складской комплекс

ГПМ совместно с транспортными роботами и складами послужили технической основой формирования принципиально нового уровня структурной составляющей производственной системы так называемой FMS (т англ. Flexible Manufacturing System) (рис.2.5.10).

Сегодня, в рамках терминологии, принятой в российской промышленности, данные системы определяются как ГПС (Гибкие Производственные Системы).

Основная технико-экономическая суть данной системы сводится к тому, что за счет использования гибких транспортных связей между отдельными единицами технологического оборудования (реализуемых на основе транспортных роботов и автоматизированных складов выдачи заготовок и приемки готовых изделий) можно быстро перестраивать производство на выпуск новой продукции, не меняя основных структурных единиц производственной системы (технологического оборудования). ГПС являются полной альтернативой автоматическим линиям, которые идеологически уже исчерпали себя.

Фактически, если ранее для каждого вида массовой продукции требовалось создание индивидуального производства, реализующего конкретную технологию через проблемно-ориентированные технологические линии, то в рамках ГПС достаточно иметь некоторый универсальный набор автоматизированного технологического оборудования. Реализация же объединения их в конкретные технологические потоки решается за счет соответствующей настройки транспортных роботов. Нет необходимости и в переучивании производственного персонала на выполнение новых технологических операций, так как все оборудование работает по управляющим программам. Последнее обеспечивает не только высокое (и, главное, стабильное) качество выпускаемой продукции, но и максимальную производительность (автоматическое оборудование может работать круглые сутки).

В то же время необходимо отметить, что для быстрой перестройки ГПС на выпуск новой продукции помимо автоматизированного оборудования и гибких транспортных связей необходимо и наличие средств эффективного получения управляющих программ для всех единиц оборудования. Решение подобной задачи возможно только на основе автоматизации инженерной подготовки производства, которая сегодня осуществляется с помощью использования современных средств вычислительной техники и специального программного обеспечения. Более подробно данная производственная составляющая будет описана в последующих разделах монографии при рассмотрении программных комплексов CAD/CAE/CAM.

Поводя итог рассмотрению существующих видов автоматизированного технологического оборудования необходимо отметить, что, независимо от особенностей своего конструктивного устройства, все они имеют одну и ту же кибернетическую схему:

А2 -	система управления процессом реализации «образа работы», генерации унитарной УП;
А3 -	система превращения энергии в энергетический выход J.- управляемая машина;
А0 -	генератор энергии;

—

В соответствии с данной кибернетической схемой ни одна из единиц автоматизированного оборудования не реализует процесс превращения информации в работу в целом, поскольку они не имеют А₁ – системы генерации образа работы и управляющих программ, необходимых для функционирования А₃ на основе использования энергии А₀. Для данного вида оборудования А₁ - это структурные составляющие производственной системы (конструкторы, технологи и плановики т.п.), результатом деятельности которых являются управляющие программы для А_2,.

Их генерация, чаще всего, является весьма сложной задачей и в ручном варианте обусловливает необходимость больших затрат времени и труда.

В частности, если рассмотреть процесс подготовки управляющей программы для современной машины тепловой резки с ЧПУ, то в соотвествии с имеющимися на них системами ЧПУ информация о траектории перемещения резака может быть представлена только в виде последовательных участков траектории из прямолинейных отрезков и дуг окружностей. Для деталей, геометрия которых однозначно определена в чертеже в ортогональной системе координат данная задача в принципе решаема, хотя и достаточно трудоемка. Что же касается варианта вырезки деталей, форма которых определяется формой судовых обводов, то для таких деталей ручная подготовка управляющих программ не возможна в принципе.

Поэтому создание средств эффективного получения управляющих программ для автоматизированного оборудования стало одной из основополагающих причин разработки средств автоматизации инженерной деятельности.

2.6	Теоретические основы комплексной автоматизации

2.6.1

Определение уровня автоматизации решения задач инженерной подготовки производства

Автоматизация – это дорогое дело, особенно на начальной стадии. Ее уровень должен определяться в соответствии с экономическими законами.

В рамках существующих научного и практического заделов в области автоматизации инженерной подготовки производства определение состава задач для решения с помощью ЭВМ можно связать с анализом целесообразности автоматизации задач по выпуску технологической документации.

В зависимости от требований производства необходимость автоматизации может определяться:

по временным характеристикам решения задачи (ручными способами невозможно сократить время решения задачи, а производство этого сокращения требует);

требованию решения комплекса задач на едином организационно – техническом уровне (например, в процессе решения задач по расчетному получению программ для машин тепловой резки с помощью ЭВМ определяется точная геометрия всех плоских деталей корпуса; при наличии такой информации в памяти ЭВМ нет необходимости снимать размеры деталей с чертежа для нормирования операций обработки, лучше всего автоматизировать эту задачу);

условиям рационального распределения и использования затрат человеческих трудо-ресурсов.

Выбор объекта для автоматизации может осуществляется с помощью «целевой функции»

Σ З _{перi >} З_а ,

где Σ З_перi – суммарные затраты, необходимые на переподготовку информации по m операциям, вызванные неоднократным использованием ее в комплексе взаимосвязанных задач;

З _а – затраты, необходимые на автоматизацию решения задачи.

Во всех случаях достаточным условием выбора объекта, подлежащего автоматизации, считают выполнение неравенства

Е _рч > Е _н;

Т _{рч <} Т _н,

где Е _{р ч} - значение расчетного коэффициента эффективности;

Е _н –нормативный коэффициент эффективности;

Т _рч – расчетный срок окупаемости единовременных затрат;

Т _н – нормативный срок окупаемости единовременных затрат.

Определение состава задач, связанных с автоматизацией разработки документации, возможно и на основе оценки «уровня интеграции». Принцип интеграции подразумевает наличие следующих логических положений:

1. Чем выше уровень автоматизации производства У_ап, тем меньше потребность в «бумажных» текстовых документах, так как основная информация необходима уже в «машинном», а не в «бумажном» виде (управляющие программы, файлы данных и т. п.). Но, с другой стороны, обеспечение заданного уровня автоматизации обуславливает необходимость автоматизации вполне определенного набора проектных процедур Q = { q₁, q₂,… q_n } из состава задач инженерной подготовки производства. При этом, чем их больше, тем большее количество экономически эффективных документов может быть выдано с помощью средств ВТ за счет использования стандартных программно-технических средств отображения информации.

2. Аналогичное влияние на состав задач, связанных с автоматизацией разработки технологической документации имеют уровень оснащения предприятия оргтехникой ( У _от ) и уровень интеграции задач инженерной подготовки производства (У _и ).

Из изложенного следует, что экономически эффективный состав задач (N_j ), связанных с автоматизацией разработки технологической документации представляет собой сумму множеств К ₁, К ₂, К ₃:

N _j = К₁ Ù К₂ Ù К₃,

где К₁ – множество проектных процедур t_{1( j )} , которые используют в качестве исходной информации результаты работы проектных процедур типа q (Уап);

К₂ – множество проектных процедур t_{2( j )} , которые используют в качестве исходных данных результаты работы процедур типа q/f, реализованных на средствах оргтехники соответствующий Уот;

К₃ – множество проектных процедур t_{3( j )} , которые используют в качестве исходных данных информацию, генерируемую проектными процедурами q/f, обеспечивающими требуемый уровень интеграции Уи (рис. 2.6.1).

N эд Уотт Уап	Чем выше уровень автоматизации производства (Уап) тем меньше потребность в бумажной документации (Кр1) но с другой стороны чем выше уровень автоматизации(Уап), тем больше количество задач Ni, обеспечивающих экономически эффективный выпуск количества Nэд бумажных документов.
N эд 21Кр 1 20Кр 2	Чем выше уровень оснащения предприятия оргтехникой (Уот) тем меньше потребность в бумажной документации (Кр1) но с другой стороны развитие средств оргтехники увеличивает количество задач Ni, обеспечивающих экономически эффективный выпуск количества Nэд бумажных документов.
21.2Уи 22Кр 1 Кр 2 N эд	Чем выше уровень интеграции САПР и АСТПП (Уи) тем меньше потребность в бумажной документации (Кр1) но с другой стороны проектные процедуры, обеспечивающие рост уровня интеграции, увеличивают количество экономически эффективных бумажных документов (Кр2).

Рис. 2.6.1 Определение уровня автоматизации и уровня интеграции

2.6.2 Варианты уровней автоматизации инженерной деятельности

С самого начала использования СВТ для автоматизации инженерной деятельности в сфере производства объем ее применения постоянно возрастает. Для того, чтобы оценивать качественную сторону процесса автоматизации на практике стали пользоваться понятием уровень автоматизации подготовки производства.

В теоретическом плане можно рассматривать два уровня автоматизация инженерной деятельности – полную и частичную (рис. 2.6.2). Особенностью полной автоматизации (рис. 2.6.1, б) является то, что она исключает необходимость создания средств ввода информации для каждой процедуры q_i , так как изменяется смысл решения задачи по отображению информации. Если при «ручном» варианте решения инженерных задач (рис. 2.6.2, а) документация t_i , получаемая как отображение результатов решений по процедуре q_i, , служила исходной информацией для решения процедур q_{(i,..j,…к)} множества Q и, соответственно, предопределяла необходимость реализации соответствующего множества i_{(i,..j,…к)} процедур ее «ручного» ввода, то при автоматизированном решении инженерных задач результаты решений по каждой процедуре постоянно накапливаются в памяти ЭВМ (в базе данных) и могут быть использованы при работе любой из q _{(i,..j,…к)} процедур без реализации отображения в виде документации результатов решений по процедуре q _i (рис. 2.6.2, б).

Теоретически, такой подход, в принципе, может привести к возможности полного отказа от использования «бумажных» документов – переходу к «безбумажной технологии». Однако в чистом виде внедрение полной автоматизации инженерной деятельности в судостроении, исключающей необходимость изготовления документации, пока нереально (хотя теоретические основы «безбумажной технологии» сегодня достаточно хорошо развитая научная дисциплина [20]). Сегодня, в основном, возможна лишь частичная автоматизация (рис. 2.6.2, в).

В общем случае смысл частичной автоматизации состоит в том, что в объеме решения инженерной задачи (некоторого множества Q проектных процедур) автоматизируется решение не всех, входящих в состав задачи проектных процедур, а только их некоторая часть

В случае автоматизации любой из частей множества Q проектных процедур (или какой-либо из его процедур) передача информация от одной проектной процедуры к другой может осуществляться непосредственно через память ЭВМ. При этом отпадает необходимость обязательного

отображения результатов проектной процедуры q_i в виде документов для реализации процедуры q_i+1, которая использует результаты работы процедуры q_i в качестве исходных данных. Такой эффект определяется как наличие интегрированной связи у средств автоматизации работы с информацией. Любые данные полученные автоматизированным путем в процессе выполнения научных исследований, записанные в памяти ЭВМ, могут быть использованные как в процессе выполнения автоматизированного проектирования, так и при разработке технологической документации. Результаты автоматизированного проектирования судна через память ЭВМ могут являться исходными данными как для автоматизированной технологической подготовки, так и для автоматизированного решения задач организации и управления производством. На каждом из этапов отпадает необходимость трудозатрат на ввод данных, полученных на любом из предыдущих этапов (рис. 2.6.3). Именно эта особенность интеграции средств автоматизации работы с информацией позволяет определить экономически целесообразный уровень частичной автоматизации для задач инженерной подготовки производства.

В частности, пусть для процедуры q_i, выполняемой без использования средств автоматизации (рис. 2.6.4, а):

S₀ – стоимость подготовки исходных данных для проектной процедуры q_i;

S₁ – стоимость выполнения проектной процедуры q_i;

S₂ – стоимость отображения результатов проектной процедуры q_i; (процедура отображения t_i).

В случае частичной автоматизации процедуры q_i (рис. 2.6.4, б):

– объем процедуры, выполняемой с использованием средств автоматизации;

- объем процедуры по отображению результатов проектной процедуры q_i с помощью средств автоматизации;

- стоимость исходных данных для оставшейся (ручной) части процедуры;

- стоимость выполнения ручной части процедуры;

- стоимость разработки документации по результатам ручной части процедуры;

- стоимость ввода исходных данных для работы автоматизированной части процедуры ;

- стоимость выполнения части ;

- стоимость автоматизированного получения документов по результатам процедуры ;

- эффект интеграции – стоимость информации, которая передается для последующих проектных процедур через память ЭВМ.

Тогда частичная автоматизация процедуры q_i может быть экономически эффективной прежде всего в случае выполнения условия

S₀+ S₁+ S₂≥ + + + + + - .

При этом необходимо отметить, что , учитывая стоимость передаваемой через память ЭВМ информации, включая и изменение ее качества, которое отражается на конечном этапе – создании материального объекта.

2.6.3 Смысл понятия комплексная автоматизация производства

Анализируя историю внедрения средств автоматизации в судостроительном производстве, можно отметить, что первоначально основная потребность в автоматизации возникла в сфере совершенствования реализации технологических процессов. Именно в сфере производства появилось первое оборудование с ЧПУ. Однако практика скоро показала, что внедрение автоматизированного технологического оборудования без автоматизации технологической подготовки производства неэффективно из-за невозможности ручной разработки управляющих программ. Ручная подготовка УП не позволяет получать необходимый эффект от внедрения автоматизированного технологического оборудования.

В частности, если бы подготовку управляющих программ для машин термической резки металла с ЧПУ выполнять вручную по данным плазовых эскизов, то при этом была бы не только очень высокая трудоемкость их разработки, но и полностью исчезал бы основной эффект, который дает собственно ЧПУ, так как исходные данные для разработки программ (плазовые эскизы) всегда содержат погрешность задания геометрии деталей. Числовое программное обеспечение в этом случае могло бы только воспроизвести погрешность, заложенную в исходных данных, не увеличивая сборочную точность деталей, которая определяет основной экономический эффект применения МТР с ЧПУ.

Поэтому, покупая оборудование с ЧПУ, необходимо думать и о том, какие программные средства потребуется приобрести, чтобы обеспечивать данное оборудование управляющими программами требуемого уровня качества. Учитывая, что основной экономический эффект от внедрения средств автоматизации получается в сфере реализации технологических процессов, для определения рациональных объемов затрат денежных средств на внедрение средств автоматизации производства в целом на начальной стадии приходилось пользоваться следующей логикой (рис. 2.6.5):

1. Сначала определяется необходимый состав автоматизированного технологического оборудования для решения поставленных задач в области совершенствования производства (без которого дальше работать нельзя);

2. Далее, исходя из определенного состава технологического оборудования, определяется состав управляющей информации, необходимый для его эффективного использования;

3. Вид и объем управляющей информации определяет состав проектных процедур для АСТПП (его стержень), который, в свою очередь позволяет определить требуемый состав проектных процедур для САПР, исходя из планируемого уровня интеграции САПР–АСТПП;

4. На основе анализа объема и состава управляющей информации определяются и способы ее передачи на автоматизированное оборудование и требования к АСУТП процесса;

5. Разработанные проекты САПР–АСТПП–АСУТП обеспечения выбранного состава оборудования дают возможность определить номинальный состав задач по автоматизации конструкторских работ в составе САПР, труда технологов в АСТПП и труда управленцев в составе АСУП. Состав задач должен определяться исходя из условия, что для автоматизированной выдачи какого-либо документа не потребуется дополнительно вводить в память машины информации больше половины той, что генерируется данными системами в обеспечение расчета управляющих программ.

В п. 1.1.3 рассматривался вариант комплексной механизации производства, который подразумевал комплексирование средств механизации различных операций технологического процесса изготовления изделия с учетом требований временного цикла его реализации (производительность выполнения работы на каждой технологической позиции должна быть такой, чтобы не было простоев ни на ней, ни на смежных с ней позициях). Основным вариантом средств производства (работопроизводящих систем) данного технического уровня являются комплексно-механизированные линии. В их составе перемещение заготовки с одной технологической позиции на другую осуществляется с

помощью специальных средств транспорта – рольганги, трансбордеры и т. п. (Примером является комплексно-механизированная линия вырезки деталей корпусов судов из листового проката.).

Что же касается термина «комплексная автоматизация производства», то его следует понимать как «сбалансированное применение средств автоматизации инженерной подготовки производства и производственных процессов».

Заключение

Изложенные в данной части монографии теоретические основы комплексной автоматизации производства будут использованы во второй части для объяснения принципов рботы всех существующих примеров автоматизации судостроительного производства. Дополнительный материал может даваться в рамках проведения практических занятий.