2

СТПП: Оглавление

1.	АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ	3
1.1.	Анализ воздействия процесса автоматизации производственных систем на их технико-экономическую эффективность	3
1.2.	Анализ проблемы адаптивного технологического проектирования производственных систем обработки металлов резанием	10
	Вопросы для самоподготовки	20
2.	ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ	21
2.1.	Введение	21
2.2.	Функции ТПП	24
2.3.	Виды ТПП	26
2.4.	Организация ТПП	29
	Вопросы для самоподготовки	37
3.	ФУНКЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА	39
3.1.	Основные положения и методы	39
3.1.1.	Автоматизация метода управления подготовкой производства	39
3.1.2.	Автоматизация метода вариантного планирования ТПП	40
3.1.3.	Автоматизация метода адаптивного планирования ТПП	41
3.1.4.	Автоматизация метода нового планирования ТПП	41
3.1.5.	Системы программирования для ЧПУ	42
3.1.6.	Неавтоматизированное программирование	42
3.1.7.	Автоматизированное программирование	44
3.1.8.	Программирование на рабочем месте	48
3.1.9.	Программирование для многостаночных комплексов	49
3.2.	Обработка данных в технологическом проектировании	51
3.2.1.	Диалоговая обработка информации	51
3.2.2.	Алгоритмы	54
3.2.3.	Таблицы принятия решения	55
3.2.4.	Информационные массивы	58
3.3.	Функции ТПП, реализуемые с помощью ЭВМ	60
3.3.1.	Описание задач ТПП	62
3.3.2.	Определение последовательности обработки	63
3.3.3.	Выбор оборудования и вспомогательных средств	66
3.3.4.	Определение режимов резания с помощью ЭВМ	67
3.3.5.	Определение кинематики обработки	68
	Вопросы для самоподготовки	71
4.	МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРИ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ	73
4.1.	Использование типовых решений при синтезе маршрута обработки поверхности детали	73
4.1.1.	Основные направления развития методов унификации изделий в условиях комплексной автоматизации производственных процессов	73
4.1.2.	Состав и содержание работ по комплексной унификации объектов производства при проектировании ГПС	74
4.1.3.	Индивидуальные и обобщенные технологические маршруты	77
4.1.4.	Условия назначения операций и индивидуальный технологический маршрут	79
4.1.5.	Формирование обобщенного технологического маршрута	82
4.1.6.	Синтез технологических маршрутов	83
4.2.	Направленный перебор при синтезе маршрута обработки поверхности детали	84
4.2.1.	Основные определения и принятые допущения	84
4.2.2.	Формулировка задачи разработки оптимальных планов об работки групп элементарных поверхностей	86
	Вопросы для самоподготовки	89
5.	ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ CAD/ CAM/CAE- СИСТЕМ	91
5.1.	Программное обеспечение конструкторских систем 2-D о и 3-D проектирования	91
5.1.1.	Система 2D – проектирования AutoCAD фирмы Autodesk	91
5.1.2.	Использование 3D-моделей в объектно-ориентированных системах CAD/CAM	92

Тема 1. Анализ проблемы проектирования организационных и технологических структур гибких производственных систем обработки резанием

1. Анализ воздействия процесса автоматизации производственных систем на их технико-экономическую эффективность

Существенное повышение уровня автоматизации производственных процессов, связанное с появлением в 40-х годах систем ЧПУ, а в 70-х компьютеризованных производств и систем автоматизированного проектирования, поставило на повестку дня создание заводов с полностью автоматизированным производственным циклом. Основой такого завода является интегрированный производственный комплекс (ИПК), включающий системы автоматизации предпроектных научных исследований, проектирования, технологической подготовки производства, гибкое автоматизированное производство (ГАП), систему автоматизированного контроля.

В конце 60-х годов прогресс вычислительной техники и средств автоматизации технологического проектирования достиг такого уровня, что в промышленно развитых странах был поставлен вопрос о крупномасштабной автоматизации на основе ЭВМ. Однако в то время нельзя было точно ответить, где именно проявится наибольший эффект от внедрения новых технических средств - в технологии или областях, связанных с организацией технологии и производства (исследование, проектирование, конструирование, организационное управление). Поэтому в 70-х годах достаточно автономно стали развиваться главным образом две сферы (рис. 1): автоматизация обработки информации - автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР); автоматизация технологии производства - технологическое оборудование с числовым программным управлением от ЭВМ (СЧПУ), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), промышленные роботы (ПР).

Рис. 1. Общие направления автоматизации.

Полученный опыт показал, что автоматизация обработки информации в отрыве от автоматизации технологии не приводит к желаемым результатам. По этой причине в 80-х годах был взят курс на интеграцию указанных сфер автоматизации. Наиболее интересно такая интеграция осуществляется в направлении, получившем название гибкие автоматизированные производства (ГАП). Хронологически развитие ГАП делится на несколько периодов (рис. 2):

I - период (60-70-е годы) - разработка и проверка базовых принципов создания технологии будущего;

II - период (80-е годы) - разработка и создание элементной техники и технологии ;

III - период (90-е годы) - разработка и создание системных комплексов гибкого производства.

Продуктом периода I явились такие новинки, как промышленный робот, обрабатывающий центр, микропроцессор, автоматизированное рабочее место проектировщика (АРМ) и другие достижения.

Рис. 2. Хронология развития ГАП.

Период II характеризуется первыми попытками реализовать методологию локально-комплексной автоматизации производства. Так возникли робототехнические комплексы (РТК), гибкие производственные модули (ГПМ), гибкие автоматизированные линии (ГАЛ) и гибкие автоматизированные участки (ГАУ). В экспериментальном порядке появились гибкие автоматизированные цеха (ГАЦ).

В периоде III начинается расширяющееся появление гибких автоматизированных заводов (ГАЗ) на основе машинного интеллекта техники управления производством.

Первоначальный мировой опыт разработки и внедрения ГАП наглядно продемонстрировал жизнеспособность концепции ГАП как высокоинтенсивной и вместе с тем трудосберегающей формы производства. Как по зарубежным, так и по отечественным данным даже далеко не самые совершенные ГАП позволяют увеличивать в среднем коэффициент использования оборудования на 30%, уменьшить его простои на 40%, снизить стоимость единицы продукции на 10%, уменьшить потребность в персонале на 30%, обеспечить поточное изготовление единичных партий изделий, поступающих в случайном порядке при номенклатуре до нескольких десятков единиц. Причем такие результаты получаются в условиях, когда новое гибкое производство сочетается с традиционным производством и обеспечивает от 3 до 10% от общего выпуска продукции данным предприятием.

Уровень и способы автоматизации зависят от серийности производства и оснащения его техническими средствами.

Средства производства, выпускаемые машиностроением, имеют два полюса:

Универсальное оборудование с ручным управлением, обеспечивающее наибольшую гибкость производства (например, универсальные станки, которые могут быть быстро приспособлены к выпуску практически любой продукции, но обладают низкой производительностью и требуют постоянного присутствия станочника).

Автоматические линии с жесткой программой работ, обеспечивающие наиболее высокую производительность труда, наименьшее привлечение рабочей силы и высокую стабильность качества, но практически не приспособленные к смене выпускаемой продукции и трудно перестраиваемые даже при сравнительно небольших изменениях в конструкции изделия.

Остальное оборудование занимает промежуточное положение.

Развитие автоматизации оборудования позволяет поднять производительность труда, но, как правило, сопровождается снижением универсальности оборудования и сужением технологических областей его применения.

Автоматизация имеет целью исключить последовательно различные функции, выполняемые рабочим-станочником. До появления гибких систем автоматизация производственных процессов ограничивалась массовым производством. Однако с уменьшением жизненного цикла изделий в результате быстрого научно-технического прогрессе и с соответствующим увеличением номенклатурного состава изготавливаемой продукции возникла необходимость в создании таких производств, которые обеспечивают изготовление деталей небольшими партиями при сохранении производительности, качества и себестоимости, присущей крупносерийному производству.

Рис. 3. Диаграмма распределения времени загрузки производства.

При этом возникшую проблему нельзя было решить за счет повышения эффективности использования основного времени технологического оборудования, так как оно в любом производстве составляет минимальную долю. Как видно из рис. 3, основное машинное время работы оборудования для производства мелких партий деталей занимает всего 6% от общего времени загрузки производства, а доля вспомогательного времени в совокупности с потерями превышает 50-60%. Поэтому основной упор был сделан на автоматизации вспомогательных операций, обеспечение автоматического функционирования оборудования в вечерние и ночные смены, резкое сокращение времени переналадок, переоснащения, смены инструмента, автоматизацию управления материальными и информационными потоками.

Первый уровень автоматизации - автоматизация цикла обработки. Она заключается в управлении последовательностью и характером движения рабочего инструмента в целях получения заданной формы, размеров и качества поверхности на обрабатываемой детали. Наиболее полное воплощение автоматизация этого уровня получила на станках с ЧПУ. При этом обеспечивается возможность оптимально осуществлять функции управления практически для неограниченной номенклатуры деталей. Производительность труда возрастает в 2-4 раза по сравнению со станками, имеющими ручное управление. Количество продукции существенно повышается.

Второй уровень автоматизации - автоматизация загрузки (постановки и снятия деталей со станка). Это весьма эффективная область автоматизации, позволяющая рабочему обслуживать несколько технологических единиц оборудования, т.е. перейти к многостаночному обслуживанию.

Наибольшей универсальностью и быстротой переналадки обладают ПР, используемые в качестве загрузочных устройств. По мере снижения требований к быстроте переналадки загрузочных устройств и увеличения размера партии обрабатываемых деталей упрощаются средства для загрузки деталей в рабочую зону. На многоцелевых станках такими средствами очень часто служат автооператоры.

Второй уровень автоматизации все чаще обеспечивается созданием РТК, в которых робот обслуживает одну единицу или группу оборудования.

Третий уровень автоматизации - автоматизация контроля, ранее выполняемого станочником: за состоянием инструмента и своевременной его заменой (контроль за фактическим ресурсом каждого инструмента и размерный контроль положения режущих кромок); качества обрабатываемых деталей (размеров, а в необходимых случаях и обрабатываемой поверхности); за состоянием станка и удалением стружки, а также контроль и подналадка технологического процесса (адаптивное управление).

Автоматизация перечисленных выше функций дополнительно освобождает человека от постоянной связи с машиной и позволяет расширить сферу обслуживания оборудования одним человеком. Такая автоматизация обеспечивает длительную работу оборудования по обработке деталей одного наименования при минимальном участии или даже без участия человека в течение одной - двух смен. Широкое распространение такого метода ограничено необходимостью иметь достаточный запас деталей одного наименования для работы оборудования в течение нескольких смен.

Третий уровень автоматизации обеспечивается созданием адаптивных РТК и ГПМ, представляющих собой комплект, состоящий из многооперационного станка (обрабатывающего центра), устройств приема и перемещения спутников (палет), ПР (или автооператоров), устройств контроля, диагностирования, подналадки и других вспомогательных механизмов и устройств, управляемый от общего устройства управления.

Четвертый уровень автоматизации - автоматическая переналадка оборудования. Переналадка оборудования на обработку изделия другого наименования на существующем оборудовании пока осуществляется вручную. Если процесс переналадки технологически не подготовлен, то он может занимать значительную часть общего календарного времени (от нескольких часов до целой смены и больше). Чем чаще требуется переналадка (по условиям производства), тем больше оказываются потери времени и сужается зона обслуживания одним рабочим. Поэтому одной из центральных задач на современном этапе является совершенствование систем переналадки оборудования - применяемых приспособлений, инструмента и оснастки, упрощение переналадки загрузочных устройств, контрольных систем и т.д. В идеале следует стремиться к созданию систем обеспечения функционирования оборудования и всех сопутствующих вспомогательных устройств, которые были бы способны осуществить автоматическую переналадку оборудования.

Оборудование с автоматической переналадкой экономически выгодно при обработке любых партий деталей. Оно позволяет существенно сократить объемы незавершенного производства, свести к минимуму производственный цикл изготовления изделий.

Высокая стоимость всех средств автоматизации, технические трудности, стоящие на пути создания высоконадежного оборудования и средств контроля и управления, пока сдерживают широкое использование в машиностроении этой наиболее высокой ступени автоматизации.

Пятый уровень автоматизации - гибкие производственные системы. В соответствии с ГОСТ 26228-85 под ГПС следует понимать совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, РТК, ГПМ, отдельных единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом режиме в течение заданного интервала времени, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик. Гибкость ГПС проявляется также в возможности широкого маневрирования при определении последовательности операций обработки. Последовательность расстановки станков в ГПС не обследована, строго говоря, технологией производства изделий, однако едина автоматическая транспортная система, связывающая их, позволяет реализовать технологический процесс, обеспечивающий, как правило, максимальную загрузку оборудования и минимальный производственный цикл. Гибкость связана, кроме того, с рациональной организацией маршрутной технологии, определяющую роль, в которой играет автоматический склад.

Таким образом, ГПС должны обеспечивать автоматическое производство деталей различными партиями. При этом себестоимость продукции и производительность ГПС близки к достигаемым в современном массовом производстве при изготовлении деталей одного наименования.

ГПС в общем случае должна обеспечивать комплексную автоматизацию всех звеньев производственного процесса, включая процессы обработки и управления, подготовку производства, разработку конструкторской и технологической документации.

В условиях массового производства ГПС может включать автоматизированные линии, допускающие переналадку на обработку известных заранее конструктивных модификаций деталей, а в условиях серийного и мелкосерийного производства - автоматизированные участки, роботизированные комплексы, станочные модули и т.п. Таким образом, понятие ГАП распространяется на сложные производственные системы (автоматизированные предприятия и заводы-автоматы) и на их структурные составляющие: ГАЦ, ГАУ, ГАЛ и РТК.

Шестой уровень автоматизации - интегрированный производственный комплекс (ИПК), включающий системы автоматизации предпроектных научных исследований, проектирования, технологической подготовки производства, ГАП, систему автоматизированного контроля.

Назначение ИПК заключается в реализации автоматизированного цикла создания нового изделия от предпроектных научных исследований до выпуска серийного образца, при этом обеспечивается проведение работ на всех стадиях - от исследования до производства - на основе использования общей информационной базы, а также безматериальный перенос информации по составляющим системам этого цикла с помощью локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Границы между областями применения станков усреднены и могут смещаться под влиянием факторов, здесь не учитываемых (сложность деталей, их размеры и т.п.). Такой подход отвечает на вопрос о месте многофункциональных станков (МС) в современном производстве, рис. 4.

В традиционном производстве с использованием универсального оборудования вопрос об автоматизации процесса обработки может успешно решаться при повышении серийности производства до уровня крупносерийного и массового. В диапазоне от единичного до крупносерийного производства технолог располагает универсальным оборудование с ручным управлением (РУ). В производстве будущего автоматизация охватит весь диапазон серийности за счет применения станков с ЧПУ.

Возможности современных МС превышают возможности традиционных универсальных станков. Однако это преимущество достигается при значительном повышении стоимости самого станка.

В единичном и мелкосерийном производствах продолжают эксплуатировать довольно простые по конструкции универсальные станки с РУ. Повышение производительности на этих станках достигается путем оснащения станков специальными приспособлениями и инструментом, частичной автоматизацией некоторых переходов, оснащением станков системой цифровой индикации. При обслуживании станков оператор является активным звеном в технологической цепочке. Он определяет последовательность ходов, осуществляет выбор и переключение частот вращения шпинделя и в определенной степени является разработчиком процесса.

Решение проблемы автоматизации среднесерийного производства имеющимися средствами не дало положительных результатов, поскольку применение в этих условиях МС связано с большими капитальными затратами, а агрегатные станки и автоматические линии нерентабельны из-за низкого коэффициента их использования. Это привело к созданию переналаживаемого технологического оборудования. В массовом производстве применяют агрегатные специальные станки (или автоматические линии из агрегатных станков), которые предназначены в основном для изготовления одной заранее заданной детали с программой выпуска, обеспечивающей полную загрузку оборудования в течение года.

Рис. 4. Специализация станков для обработки корпусных деталей: ПУ - программное управление; РУ - ручное управление.

Различают четыре основных источника повышения эффективности производства и экономии: применение прогрессивных технологических процессов; увеличение производительности оборудования; снижение трудовых затрат; экономия, получаемая от проведения организационно-технических мероприятий и улучшения качества выпускаемых изделий.

Создание и внедрение ГПС является одним из основных направлений решения проблемы повышения производительности труда и сокращения доли ручного труда, повышения качества выпускаемой продукции, в первую очередь в условиях мелкосерийного и серийного производства. Баланс рабочего времени и потерь в условиях ГПС по сравнению с универсальным оборудованием с ручным управлением иллюстрирует рис. 5.

При одинаковом календарном годовом фонде времени (8760 ч) предполагается, что универсальное оборудование работает две смены, а ГПС - три. Использование ГПС обеспечивает увеличение в общем балансе рабочего времени той доли, которая связана с непосредственной обработкой деталей.

Рис. 5. Баланс рабочего времени и потерь: а) - для ГПС; б) - для универсального оборудования с ручным управлением.

Опыт создания ГПС в механообработке показывает, что их применение (в сравнении, например, с участками, оснащенными универсальными станками с ручным управлением), обеспечивает достижение высоких технико-экономических показателей: снижение трудоемкости обработки деталей в 5 раз; сокращение обслуживающего персонала в 3-10 раз; увеличение выпуска продукции за счет повышения коэффициента использования оборудования, более полного использования основных фондов и сокращения количества требуемого оборудования; сокращение сроков и стоимости подготовки производства ориентировочно в 2  5 раз.

Эффективность эксплуатации ГПС в значительной мере зависит от выбора вида обрабатывающего оборудования, промышленных роботов, транспортно-складской системы, типа системы управления, на базе которых создается ГПС, а также размера партии обрабатываемых на ней изделий. Создание ГПС связано с большими капитальными затратами. По зарубежным данным их стоимость находится в пределах 4-15 млн. дол., из которых около 70% приходится на основное оборудование и роботы, 15-20 - на программное обеспечение и 5-10 - на вспомогательное оборудование, контрольно-измерительную и другую аппаратуру. В отдельных случаях для вновь разрабатываемых ГПС отношение затрат на технические средства, математическое обеспечение и средства контроля может составлять соответственно 50, 35 и 15% от общих затрат на разработку.

Анализ разработки и эксплуатации ГПС промышленно развитыми странами показывает, что преимущественное распространение получили гибкие производства для обработки корпусных деталей и деталей типа тел вращения. Это объясняется следующим: корпусные детали являются наиболее трудоемкими при изготовлении, и их обработка включает значительное число операций, связанных с переустановкой, закреплением, контрольных операций после переустановок и др. Все это способствовало появлению многооперационных станков с ЧПУ с автоматической сменой инструмента, позволяющих концентрировать большое количество переходов за один установ; детали типа тел вращения имеют наибольший удельный вес в количественном отношении (до 60%) среди всей номенклатуры обрабатываемых деталей. Эти детали легко ориентируются, поддаются упорядочению в накопителях, а появление ПР с автоматической сменой захватных устройств позволяет совмещать транспортные задачи с задачами загрузки-разгрузки технологического оборудования, что позволяет создавать ГПС с широким использование ПР.

В целом можно констатировать, что приблизительно 30% всех производственных систем содержат станки, предназначенные специально для процессов токарной обработки, сверления и фрезерования. Станки для сверления и фрезерования интегрируются примерно в 70% ГПС, причем, как правило, речь идет об универсально оснащенных центрах с ЧПУ. При этом чисто сверлильные станки, интегрированные в ГПС, играют подчиненную роль.

Если затраты на создание ГПС выразить через стоимость изделия (IV), то связь между последней и гибкостью (III), производительностью (II), капитальными вложениями (I), требуемой численностью персонала (V), с одной стороны, и составом и структурой ГПС, с другой, может быть представлена графиком, приведенным на рис. 6.

Наибольшие капитальные вложения имеют место при создании ГПС, однако себестоимость выпускаемых на них изделий минимальна.

Как видно из приведенных данных, наибольшие затраты связаны с созданием обрабатывающих и транспортно-складских систем для деталей.

Затраты на управляющие вычислительные комплексы составляют в среднем до 20%. Поэтому с целью снижения затрат на создание ГПС основное внимание должно быть направлено на использование принципов агрегатирования типовых решений именно при создании технологической подсистемы ГПС, а также более широкое использование вычислительных средств на базе быстро прогрессирующей микропроцессорной техники.