bushuev_v_v_i_dr_metallorezhushie_stanki_tom_2

исопоставлению различных вариантов. Исходные данные для расчетов задаются приближенно в виде предварительных (экспертных) оценок или по аналогии с близкими по типу производствами.

Так как детализация исходных данных на этих этапах проектирования еще невелика, то в расчетах используются главным образом аналитические модели, которые создаются с помощью уравнений баланса потребных и имеющихся мощностей оборудования или с помощью статистических методов теории массового обслуживания. К достоинствам таких моделей относятся доступность понимания их содержания, небольшой объем вводимой информации, невысокие требования к ее точности и малые затраты времени ЭВМ на каждое решение. Естественно, точность моделирования не превышает точности исходных данных.

Вмоделях баланса мощностей оборудования обычно считаются заданными допустимые диапазоны значений нормативов времени на обработку деталей

иэффективные фонды времени работы предполагаемого оборудования ГПС. С этими данными могут быть сформулированы различные задачи, например:

• определить программу выпуска деталей при заданной структуре оборудования;

• определить потребное количество оборудования каждого типа, необходимое для выполнения заданной программы производства;

• выбрать вариант закрепления оборудования для выполнения конкретных технологических операций и т.д.

Модель баланса мощностей оборудования может быть представлена в форме равенства. Если она представляет собой алгебраическое уравнение, то решение находится обычными алгебраическими методами. Если эта модель представлена системой неравенств, то она дополняется целевой функцией, и рассматривается задача нахождения оптимального решения.

Методы теории массового обслуживания дают возможность учесть среднестатистически динамику поведения производственной системы. Получаемые модели называют моделями сетей очередей, в которых ГПС рассматривается как множество рабочих станций с циркулирующими между ними заявками на обслуживание. Пропускная способность транспортной системы считается неограниченной. Заявки представляют собой отдельно взятые детали или партии деталей, которые образуют очереди к рабочим станциям. Движение деталей в производстве характеризуется:

• математическим ожиданием числа обработанных деталей в единицу времени; среднестатистическим числом деталей в очереди к каждой рабочей станции;

• математическим ожиданием времени обслуживания одной заявки, которое принимается за среднюю длительность цикла обработки детали;

• объемом незавершенного производства.

Точность моделирования сетями очередей выше, чем балансовыми методами, однако математический аппарат существенно сложнее.

Итак, на рассматриваемых этапах проектирования структуры ГПС предварительные расчеты позволяют достаточно быстро сделать оценку нескольких вариантов структуры, отобрать из них перспективные для дальнейших исследова-

ний, выявить узкие места и приближенно определить их влияние на важнейшие характеристики системы, оценить усредненные потребности в ресурсах.

Эти результаты предоставляют возможность на этапах окончательного проектирования с достаточной точностью выбрать оптимизированные варианты структуры ГПС. К этому моменту после предварительных исследований уже отобраны один или несколько наилучших вариантов организационнопроизводственной структуры проектируемой системы. Для каждого из них определены типы станков, средства транспортирования, их ориентировочные характеристики. Теперь возможно построение имитационных моделей с высоким уровнем детализации.

Моделирование рабочих станций детализируется до уровня отдельных станков, промышленных роботов, манипуляторов, накопителей, позиций загрузки и разгрузки. Процесс транспортирования деталей и оснастки описывается с точностью до различий во времени доставки их к различным рабочим станциям. В модель включаются все имеющиеся ограничения (количество сменных палет для установки деталей, объемы накопителей, особенности управления транспортом и т.д.).

Имитационное моделирование заключается в разработке таких программ для ЭВМ, которые содержат описание физических объектов ГПС и правил их поведения во всех возможных ситуациях. Эти программы — аналог ГПС, их можно использовать при проведении экспериментов вместо самих объектов. Результаты будут соответствовать действительности в той мере, в какой имитационная модель адекватна физической реальности.

Имитационные модели позволяют практически с любой точностью воспроизвести динамику поведения ГПС, включая переходные процессы. К достоинствам таких моделей следует отнести также возможность анализа взаимодействия между оборудованием ГПС и ее системой управления, возможность определения необходимого количества инструмента, оснастки и возможность решения других подобных задач, сложных при аналитическом представлении.

Высокая стоимость разработки имитационных моделей привела к необходимости создания стандартного программного обеспечения имитационного моделирования ГПС. Наиболее распространенными в настоящее время являются проблемно-ориентированные имитаторы модульного типа. Разрабатываются универсально-модульные имитационные программы.

19.2.Структурно-компоновочные схемы ГПС для механической обработки

Гибкие производственные системы для механической обработки деталей могут охватывать как отдельные операции технологических процессов, так и всю механообработку комплексно. Соответственно ГПС механообработки подразделяют на операционные и комплексные.

Операционные ГПС создаются на базе имеющихся на предприятиях и серийно выпускаемых станков с ЧПУ для отдельных видов технологических операций: токарных, фрезерных, шлифовальных, зубообрабатывающих, расточных и т.д. В таких системах станки с ЧПУ оснащаются промышленными роботами, накопителями деталей и управляющими вычислительными комплексами.

В зависимости от схемы расположения оборудования в ГПС перемещение заготовок и других компонентов материального потока может быть организовано по жесткому маршруту, что характерно для ГАЛ (см. схемы на рис. 19.3, а—в), или по изменяемому (гибкому) маршруту (в ГАУ). При комбинированном потоке на отдельных участках ГПС маршрут может не изменяться, а на других может быть изменен.

Выбор маршрута перемещения заготовки зависит от того, последовательно она обрабатывается или с возвратом на склад после выполнения операции, что обусловливает прямую или косвенную (через склад) связь оборудования между собой. При прямой связи оборудования детали с помощью перемещающихся средств и подающих устройств транспортируются непосредственно со склада к оборудованию. После обработки на одном станке деталь подается к другому, минуя склад (крупносерийное производство). При косвенной связи детали переходят от одного станка через склад к другому станку (при относительно короткой длительности цикла обработки). Достоинства косвенной связи:

•обеспечивается более полная загрузка технологического оборудования;

•весь производственный процесс контролируется и управляется от центрального пульта управления.

Требование производственной гибкости — одно из основных для ГПС механообработки, что во многом определяет область эффективного применения типовых ГПС.

Создание ГПС в условиях мелкосерийного производства деталей широкой номенклатуры является технически более сложной проблемой, чем создание ГПС для изготовления деталей ограниченной и тем более малой номенклатуры

вусловиях серийного и крупносерийного производства. При производстве деталей относительно широкой номенклатуры требуются более сложное быстропереналаживаемое оборудование с широкими технологическими возможностями, более развитые система управления и программное обеспечение, совершенная система технологической подготовки производства.

Уровень автоматизации технологического оборудования ГПС для мелкосерийного производства определяется малыми партиями запуска разнообразных деталей в производство, непостоянством видов заготовок и применяемых материалов, наличием внеочередных заказов и рядом организационных особенностей. Все это существенно затрудняет оптимизацию разнообразных технологических процессов, снижает их устойчивость и надежность, затрудняет полное исключение из них человека. Автоматизировать такие операции, как контроль размеров получаемых деталей, контроль за состоянием режущего инструмента, ввод коррекций в систему управления, общий контроль за многочисленными процессами обработки и состоянием оборудования, технически сложно. Именно поэтому в мелкосерийном производстве ГПС создают на основе станков с ЧПУ с ручной или механизированной загрузкой. Один оператор обычно обслуживает два—четыре таких полуавтомата. Доставка к рабочим местам заготовок, режущего инструмента и оснастки выполняется автоматически. Автоматизированные системы технологической подготовки производства, оперативного планирования, диспетчеризации и учета хода производства в этом случае наиболее эффективны.

19.2. Структурно-компоновочные схемы ГПС для механической обработки 435

Всерийном производстве имеются условия для дальнейшего повышения уровня автоматизации ГПС и сведения до минимума или даже полного исключения участия человека в технологических процессах. Уменьшение номенклатуры обрабатываемых деталей и увеличение размера партии запуска позволяют более тщательно отработать и отладить технологические процессы, управляющие программы для систем ЧПУ, режущий инструмент. Эти ГПС создают на основе автоматически переналаживаемых гибких производственных модулей. Несмотря на относительно высокую стоимость ГПМ, их применение в условиях серийного производства эффективно благодаря высокой производительности. Один наладчик может в течение дневной смены обслужить до десяти и более ГПМ, которые две последующие смены будут продолжать работать в автоматическом режиме. Для крупносерийного производства целесообразно использование гибких автоматизированных линий, состоящих из специализированных переналаживаемых станков с многошпиндельными сменными коробками, промышленных роботов

иавтоматизированной транспортно-складской системы. Управление станками осуществляется от систем ЧПУ и программируемых контроллеров.

Еще одно важнейшее требование к ГПС — надежность функционирования всех подсистем и оборудования. Значимость этого требования тем выше, чем выше уровень автоматизации ГПС. Надежность ГПС определяется как свойство системы, обусловленное ее безотказностью в работе, долговечностью, ремонтопригодностью и обеспечивающее выполнение заданных функций. Одним из косвенных вероятностных показателей безотказной работы компонента системы является среднее значение продолжительности работы между отказами. Однако повышение надежности ГПС в целом только за счет ужесточения требований к отдельным ее компонентам в части безотказной наработки недостаточно. Не менее важными критериями являются общая долговечность (заданный технический ресурс) и ремонтопригодность. Под ремонтопригодностью понимают свойство системы, выражающееся в приспособленности к восстановлению исправности и поддержанию заданного технического ресурса путем предупреждения, обнаружения и устранения неисправностей и отказов. Ремонтопригодность количественно оценивается трудоемкостью восстановления работоспособности, т.е. затратами труда и средств на предупреждение и устранение неисправностей. Эффективным средством предупреждения неисправностей

иотказов в ГПС становятся системы технического диагностирования.

Вмелкосерийном производстве надежная работа ГПС обеспечивается с участием человека, контролирующего технологические процессы и работу оборудования. Операторы вносят в производственный процесс необходимые коррективы или своевременно прерывают его, не допуская опасных, с точки зрения качества изделий и аварийности, ситуаций.

Всерийном и крупносерийном производстве большинство оборудования ГПС работает в автоматическом режиме. В этом случае необходимо автоматическое поддержание его надежной работы, так как отказы приводят к длительному простою (особенно в безлюдные вечернюю и ночную смены). Надежность работы ГПС определяется, прежде всего, надежностью автоматических систем обеспечения заготовками, режущим инструментом и технологической оснасткой, их высоким качеством, безотказностью функционирования всех технических и

программных компонентов, высоким качеством управляющих программ и другой управляющей информации.

Гибкая производственная система не должна останавливаться и прекращать выпуск продукции при выходе из строя и останове отдельных ГПМ и даже целых подсистем. Это обеспечивается тем, что каждый ГПМ может автономно функционировать в автоматическом режиме в течение достаточно длительного времени. ГПМ может также функционировать и в полуавтоматическом режиме, например при выходе из строя промышленного робота, измерительных устройств, транспортной системы. Наконец, при отказе управляющего вычислительного комплекса ГПМ может продолжать работать, так как ввод и редактирование управляющих программ возможны с пульта системы ЧПУ на рабочем месте. Естественно, во всех случаях отказа компонентов ГПС ее уровень автоматизации и ее функциональные возможности резко снижаются.

Вцелях обеспечения надежности транспортно-складской системы, которая также обычно имеет модульную структуру, предусматривается возможность управления ею как от ЭВМ, так и в полуавтоматическом и ручном режимах, возможность извлечения и доставки к ГПМ находящихся в ней заготовок, инструмента и оснастки с помощью цеховых транспортных средств.

Вобщем случае при внедрении ГПС имеет место следующие основные статьи экономии: прямые расходы на рабочую силу, расходы на обслуживающий персонал, транспортно-складские расходы, расходы на обеспечение качества продукции, сокращение незавершенного производства, товарных запасов и расходов на материалы.

При переходе к ГПС в 2…3 раза повышается эффективность использования оборудования, в 6…7 раз сокращается производственный цикл механообработки. Объединение автономно работающих станков с ЧПУ в ГПС позволяет поднять коэффициент загрузки станков до 0,85…0,9 по сравнению с 0,4…0,6, а коэффициент сменности их работы — до 2,5 по сравнению с 1,3…1,6.

19.3. Гибкие производственные модули (ГПМ)

Гибкий производственный модуль является основной составной частью ГПС. ГПМ — это единица технологического оборудования, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая весь цикл работы, связанный с изготовлением изделий, и имеющая возможность быть встроенной в ГПС. Кроме обработки деталей, ГПМ выполняют в автоматическом режиме накопления заготовок загрузку заготовок в зону резания, выгрузку обработанных деталей, частичный или полный контроль точности обработки и другие вспомогательные операции. В типовой механообрабатывающий ГПМ входят многошпиндельный станок с ЧПУ и робот, управляемые от ЭВМ, накопитель заготовок и обработанных деталей и вспомогательные устройства (устройства для удаления стружки с базовых поверхностей, устройства для контроля износа инструмента и др.).

Непременным качеством модуля является возможность встраивания его в ГПС, вследствие чего он должен иметь стандартные сопрягающие устройства, позволяющие ему состыковываться с автоматизированной транспортно-

ке. Восьмиместный круговой накопитель 5 столов-спутников обеспечивает загрузку модуля обрабатываемыми заготовками на всю рабочую смену. Наличие столов-спутников контролируется автоматически с помощью датчиков. Между рабочим столом станка и накопителем размещено двухпозиционное поворотное устройство 6 смены спутников. Самостоятельный узел 9 (специальный барабан, содержащий 10 инструментов) представляет собой устройство замены режущего инструмента в магазине 8 станка по заданной программе, что позволяет увеличить набор используемого инструмента, так как емкость инструментального магазина (30 инструментов) не всегда достаточна для длительной работы модуля в составе ГПС. По команде от системы управления устройство передается из накопителя на рабочий стол станка. Затем стол перемещается, конический хвостовик барабана вводится в шпиндель станка и зажимается. Стол станка со спутником барабана возвращается в исходное положение, а барабан с инструментом остается в шпинделе.

Далее шпиндельная бабка с барабаном поднимается до зоны действия манипулятора смены инструмента из барабана в магазин станка и осуществляется обратная перестановка ненужного инструмента. При завершении замены инструмента шпиндельная бабка с барабаном опускается, барабан закрепляется в своем спутнике, освобождается из шпинделя и возвращается в накопитель.

Контрольно-измерительная система содержит измерительную головку индуктивного типа, преобразователь аналоговых сигналов, микропроцессор и узел ввода корректирующей информации в систему ЧПУ. Измерительная головка в нерабочем состоянии расположена в инструментальном магазине. По программе она устанавливается автоматически в шпиндель вместо инструмента. Контроль размеров осуществляется опять же по программе наличием контакта между щупом измерительной головки и соответствующими поверхностями детали. Перемещения детали при контроле ее размеров, прием сигналов измерения, обработка этих сигналов и выдача корректирующих воздействий на приводы обеспечиваются с помощью системы ЧПУ.

Технические характеристики ГПМ. Технологические возможности и технический уровень ГПМ определяются: возможностью обработки, производительностью, точностью, надежностью, удобством обслуживания, массой заготовок, занимаемой площадью, оснащенностью системами обеспечения функционирования при работе в малолюдном режиме и возможностью стыковки с транспортными системами и другими станками, входящими в состав ГПС. Большинство показателей определяется станочным оборудованием, используемым в ГПМ.

На рис. 19.6 приведены основные типы компоновок станков, входящих в ГПМ, предназначенных для обработки корпусных деталей. Стойка 1 с перемещаемой по ней шпиндельной бабкой 2 устанавливается либо неподвижно (схема а), либо перемещается по станине 3 (схема б). Поворотный стол 5 со спутником 6 может устанавливаться на подвижное (схема а) или неподвижное (схема б) основание. Если же стойка 1 с помощью промежуточных салазок 7 перемещается по двум взаимно-перпендикулярным осям, то поворотный стол 5 выполняется неподвижным (схема в). При поворотно-наклонном столе 8 (схема г) на станке могут обрабатываться детали с пяти сторон и под различными углами. При компоновке по схеме д возможна обработка как корпусных деталей, так и деталей типа

Рис. 19.6. Основные компоновки станков в ГПМ для обработки корпусных

иплоских деталей:

а— горизонтальный ГПМ с неподвижной стойкой и крестовым поворотным столом; б — с подвижными по одной оси координат поворотным столом и стойкой; в — с неподвижным поворотным столом и крестовой стойкой; г — с подвижным по одной линейной оси поворотно-наклонным столом; д — с поворотным вокруг горизонтальной оси координат столом; е — вертикальный ГПМ для обработки плоских деталей с крестовым столом

тел вращения. В станке предусмотрен выдвижной шпиндель 3 и стол 5, перемещающийся в направлении, перпендикулярном оси шпинделя. Такой модуль может использоваться для сверлильно-фрезерно-расточной обработки вращающимся инструментом и для токарной обработки заготовок, закрепленных на столе-спутнике 4, невращающимся инструментом (установленным в неподвижном для этого режима шпинделе 3). На вертикальном станке (схема е) при удлиненном столе 5, перемещающемся по крестовому столу 4, удобно обрабатывать протяженные заготовки произвольной формы (часто плоские). Основной размер (ширина стола) станков изменяется с коэффициентом 1,26; максимальная частота вращения шпинделей достигает 12 000 мин–1 (для шпинделя с конусом 30) и 7000 мин–1 (конус 40), 5000 мин–1 (конус 50). Скорость быстрых перемещений рабочих органов составляет 10…15 м/мин, время смены заготовок 15…20 с (средние станки).