Виды гибких производственных систем

Гибкая автоматизация эффективна для серийного многономенклатурного производства. По мере совершенствования гибких автоматизированных производств снижается планка требований к объёму партии выпуска продукции. В перспективе такие производства могут быть эффективными и для индивидуального производства продукции.

При комплексной автоматизации производственных процессов возникает необходимость автоматизации физических, управленческих, информационных и творческих функций человека в производстве. Для этой цели используются различные автоматизированные системы (слайд 26):

- ГПС – гибкая производственная система для автоматизации технологических процессов;

- САПР – система автоматизации проектирования;

- АСНИ – автоматизированная система научных исследований;

- АСТПП – автоматизированная система технической подготовки производства;

- АСУП – автоматизированная система управления производством;

- АСУ ТП – автоматизированная система управления технологическим процессом.

Комплексное применение этих систем предполагает автоматизацию обмена информацией между ними за счет использования единых баз данных и реализацию принципов безбумажной технологии. Все эти системы широко используют средства вычислительной техники для автоматизации обработки информации и управления различного уровня.

Комплексно автоматизированное производство, основанное на принципах гибкой автоматизации, называют гибким автоматизированным производством (ГАП), а в будущем это производство может превратиться в полностью автоматическое производство. В зарубежной технической литературе такое производство часто называют интегрированным производством, поскольку в нём осуществляется интеграция различных высокоавтоматизированных производственных систем.

Технологическую основу гибкого автоматизированного производства составляют гибкие производственные системы - ГПС.

Основные понятия, связанные с такими системами, стандартизированы. Терминология в области ГПС регламентируется ГОСТ 26228-90. Согласно ГОСТ:

ГПС – совокупность в разных сочетаниях оборудования с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных модулей, 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.

Отличительный признак ГПС – возможность работы в безлюдном режиме под управлением компьютеров. Под безлюдным режимом понимают такой уровень автоматизации, когда производственный участок, цех или весь завод могут работать в отсутствие человека по крайней мере в течение одной рабочей смены (8 ч.)

Сейчас в качестве оборудования в ГПС чаще всего используются обрабатывающие центры, причём не только с поочерёдной сменой инструмента в зоне резания, но и с автоматической сменой многошпиндельных головок, агрегатные и многопозиционные МОЦ. Использование такого оборудования расширяет границы эффективного применения ГПС от единичного и мелкосерийного до крупносерийного и массового производства.

На ГПС не может быть заранее предусмотрена обработка деталей какого-либо одного наименования или обработка конструктивно или технологически подобных изделий. Поэтому оборудование там не располагается в определённой последовательности (за исключением ГАЛ), поскольку эта последовательность заранее неизвестна. Документом, регламентирующим загрузку оборудования, здесь является не маршрутная технология, а расписание загрузки оборудования, составляемое в результате планирования работы ГПС.

Определение ГПС отражает её свойство гибкости, позволяющее производить изделия произвольной номенклатуры. По принципу организации ГПС делятся на: гибкие автоматизированные линии (ГАЛ); гибкие автоматизированные участки (ГАУ) и гибкие автоматизированные цехи (ГАЦ).

ГПС по организационной структуре подразделяются на следующие уровни:

- первый уровень – гибкий производственный модуль. Это ГПС, состоящая из одной или нескольких единиц технологического оборудования, оснащённая системой программного управления и средствами автоматизации техпроцесса; функционирующая автономно и имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня.

(слайд 28) ГПМ может обрабатывать до 100 разных типов деталей, причём время его переналадки на выпуск новых деталей составляет порядка 30 мин. В то время как переналаживаемые автоматические линии с жёсткими связями позволяют обрабатывать до 10 изделий. Причём продолжительность их переналадки на выпуск новых изделий составляет 2-3 смены. Особенностью ГПМ является возможность его работы в автономном режиме целую смену. Это обеспечивается за счёт полной автоматизации рабочих движений, загрузки и разгрузки заготовок, смены и закрепления инструмента, автоматического контроля хода техпроцесса. При этом он может легко встраиваться в автоматическую линию, образуя при этом ГПС. Характерно, что с увеличением уровня автоматизации себестоимость продукции уменьшается.

Первоначально планировалось, что ГПС позволяют автоматизировать серийное производство, однако опыт их эксплуатации проявил другие тенденции. По данным ООН, 80% ГПС используются в крупносерийном производстве, что обусловлено их мобильностью и высокой степенью гибкости. А это позволяет быстро переходить на выпуск новой продукции, ведь сегодня новая техника остаётся конкурентоспособной 2-3 года.

Сегодня страны с развитой рыночной экономикой выпускают до 50% металлорежущего оборудования с системами ЧПУ, 20% из них составляют ГПМ.

В средства автоматизации ГПМ в общем случае входят:

- устройство ЧПУ для автоматизации работы станка, включая смену заготовок, инструмента, подачу СОЖ, удаление стружки и переналадку;

- устройство адаптивного управления для автоматизации регулирования параметров технологического процесса при изменении условий его выполнения;

- устройство контроля и измерения во время или после операции для автоматизации подналадки оборудования;

- устройство диагностики оборудования для выявления и устранения неисправностей.

Частным случаем ГПМ является роботизированный технологический комплекс (РТК) при условии возможности его встраивания в систему более высокого уровня.

Частный случай ГПМ – роботизированный технологический комплекс (РТК) – совокупность единицы технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения.

В общем случае в ГПМ входят накопители, приспособления, спутники (палеты, устройства загрузки и выгрузки, в том числе промышленные роботы (ПР), устройства замены оснастки, удаления отходов, автоматизированного контроля, включая диагностирование, переналадку и т.д.

Если определение ГПМ предполагает его гибкость, то определение РТК не связано непосредственно с понятием гибкости и предполагает автоматическое многократное повторение определённого рабочего цикла.

Подразумевается, что в РТК имеется одна единица технологического оборудования и один робот. Если роботов или оборудования больше, то это уже будет роботизированный технологический участок (РТУ) - совокупность РТК, связанных между собой транспортными средствами и системой управления, или несколько единиц технологического оборудования, обслуживаемых одним или несколькими ПР, в которой предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

В зависимости от функционального назначения ПР можно выделить комплексы, где робот выполняет вспомогательные функции обслуживания основного оборудования (в области механообработки, холодной и горячей штамповки, литья под давлением), и комплексы, в которых робот сам выполняет операцию при помощи переносного инструмента (в области сборки, дуговой и точечной сварки, плазменной резки, нанесения покрытий). В последнем случае возможна одновременная согласованная работа нескольких взаимодействующих роботов.

В качестве вспомогательного оборудования в составе РТК могут входить накопители для хранения запаса объектов обработки, устройства первоначальной ориентации объектов обработки, устройства поштучной выдачи, тактовые столы и другое подобное оборудование. Необходимость во вспомогательном оборудовании определяется ограниченными возможностями как робота, так и основного оборудования.

Примеры РТК (слайды 32-35)

РТК для сверления отверстий в деталях. Обработка осуществляется на многошпиндельном автоматическом сверлильном станке 4. Подаёт детали на станок промышленный робот 1. На столе станка деталь закрепляется в приспособлении, после чего производится автоматическое сверление необходимых отверстий.

Обработанную деталь робот снимает со станка и укладывает на конвейер 3. Запас заготовок хранится в накопителе 2 магазинного типа. Заготовки хранятся в ориентированном состоянии. Магазин имеет устройство поштучной выдачи заготовок в позицию захвата ПР.

В РТК используется ПР с цилиндрической системой координат, имеющий 4 степени подвижности и пневматический привод. Система управления робота циклового типа. Погрешность позиционирования ПР лежит в пределах ± 0,5 мм.

РТК для укладки заготовок протекторов в стеллажи с мягкой прокладкой, используемый в шинном производстве. РТК состоит из рольганга 1, гидравлического манипулятора 2, гидростанции 3, захвата 4 и пульта управления 5.

Рольганг содержит станину, на которой закреплены ролики. Он служит для приёма и остановки заготовки протектора. Привод роликов осуществляется от гидродвигателя через цепную передачу. Манипулятор выполнен в виде станины, на которой установлены подвижная и неподвижная колонны. При помощи подвижной колонны осуществляется поворот руки манипулятора. На неподвижной колонне установлены направляющая и перемещающаяся рука манипулятора. Движение манипулятора осуществляется при помощи гидродвигателей и гидроцилиндра.

Большое распространение получили робототехнологические комплексы для автоматизации сварки при сборке кузовов автомобилей. Для этой цели используются сложные роботы с контурной системой ЧПУ.

Компоновочная схема сварочного РТК фирмы COMAU с использованием роботов СМАРТ.

Заготовки свариваемого кузова 2 с помощью транспортной тележки 3 подаются в РТК. Для сварки используются два напольных робота 4 и два подвесных 5, установленных на четырехопорной раме 1. Подвесной вариант установки робота возможен вследствие особенностей конструкции робота СМАРТ, допускающей монтаж в любом положении.

Робот позволяет выполнить весь объём работ, связанных со сваркой отдельных секций кузова: боковых панелей, дверей, капота, пола, а также кузова в сборе.

Сварочные РТК разнообразны по компоновке и по типам используемых промышленных роботов.

Компоновка сварочного роботизированного комплекса фирмы Renault. Заготовки свариваемого кузова 1 транспортной системой подаются в РТК. Основу РТК составляет жёсткая мостовая конструкция 2, по которой перпендикулярно кузову перемещаются две каретки 3. На каждой каретке установлен манипулятор 4 промышленного робота, оснащённый сварочной головкой для точечной сварки. Манипулятор может перемещаться вдоль каретки. Сварочная головка может поворачиваться относительно руки вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей на углы a, b и g. Все линейные и угловые перемещения имеют контурное управление от системы ЧПУ.

Совершенствование роботов идёт в направлении улучшения их технических характеристик и повышения эффективности. В роботах всё шире используются системы очувствления, позволяющие придать ему дополнительные функции. Так, системы технического зрения позволяют роботу оценивать производственную сцену для решения поставленной задачи и уточнения алгоритма её выполнения.

- второй уровень – гибкая автоматизированная линия и гибкий автоматизированный участок. Оба эти понятия иногда заменяются термином ГПЯ.

Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) – ГПС, состоящая из нескольких ГПМ, объединённых автоматизированной системой управления, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

В настоящее время практически не применяются.

Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) – ГПС, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединённых автоматизированной системой управления, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

- третий уровень – гибкий автоматизированный цех. Это ГПС, представляющая собой совокупность гибких автоматизированных линий и (или) гибких автоматизированных участков, предназначенная для изготовления изделий заданной номенклатуры.

Четвёртый уровень – гибкий автоматизированный завод. Это ГПС, представляющая собой совокупность гибких автоматизированных цехов, предназначенная для выпуска готовых изделий в соответствии с планом основного производства.