Сущность, формы и тенденции исторического развития автоматизации производства
Автоматизация производства в машиностроении развивается в направлении создания автоматических станков и агрегатов, автоматических поточных линий, автоматических участков, цехов и даже заводов.
Степень автоматизации производственных процессов может быть различной. При частичной автоматизации часть функций по управлению оборудованием автоматизирована, а часть - выполняется рабочими-операторами (полуавтоматические комплексы). При комплексной автоматизации все функции управления автоматизированы, рабочие только налаживают технику и контролируют ее работу (автоматические комплексы).
При комплексной автоматизации производственных процессов должна применяться такая система автоматических машин, при которой процесс превращения исходного материала в готовый продукт происходит от начала до конца без физического вмешательства человека. Для этого требуется автоматизация не только технологических, но и всех вспомогательных и обслуживающих операций. Комплексная автоматизация производственных процессов является главным направлением технического прогресса, обеспечивающим дальнейший рост производительности труда, снижение себестоимости и улучшение качества продукции.
Этапы развития автоматизации производства определяются развитием средств производства, электронно-вычислительной техники, научных методов технологии и организации производства. Исторически первыми были созданы автоматические линии с жесткой кинематической связью. Для второго этапа развития автоматизации характерно появление электронно-программного управления: были созданы станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и автоматические линии, содержащие в качестве компонента оборудование с программным управлением. Переходом к третьему этапу развития автоматизации послужили новые возможности ЧПУ, основанные на применении микропроцессорной техники, что позволило создавать принципиально новую систему машин, в которой сочетались бы высокая производительность автоматических линий с требованиями гибкости производственного процесса. Более высокий уровень автоматизации характеризуется созданием автоматических заводов, оснащенных оборудованием с системами искусственного интеллекта.
Сущность, виды и основные параметры работы автоматических линий
Наиболее распространенным вариантом комплексной автоматизации производства является использование автоматических производственных линий (АЛ).
Автоматическая линия - это система согласованно работающих и автоматически управляемых станков (агрегатов), транспортных средств и контрольных механизмов, размещенных по ходу технологического процесса, с помощью которых обрабатываются детали или собираются изделия по заранее заданному технологическому процессу в строго определенное время, называемое тактом АЛ.
Роль рабочего на АЛ сводится лишь к наблюдению за работой линии, к наладке и подналадке отдельных механизмов, а иногда - к подаче заготовки на первую операцию и снятию готового изделия на последней операции. Это позволяет рабочему одновременно управлять значительным числом машин и механизмов. Характер труда рабочего при этом меняется коренным образом и все более и более приближается к труду техника и инженера.
Основным параметром (нормативом) АЛ является производительность. Производительность линии определяется по производительности последнего выпускающего станка. Принято различать технологическую, цикловую, фактическую, потенциальную производительность линии.
Технологическая производительность АЛ характеризует возможное число полных рабочих ходов линии в единицу времени и определяется по формуле:
 ;
| (7.1) |
где tм – машинное время непосредственной обработки детали, т.е. время рабочих ходов станков линии или т.н. основное время (tо), мин.
Цикловая производительность АЛ характеризует возможное число рабочих циклов линии в единицу времени и рассчитывается по формуле:
 ;
| (7.2) |
где Тц – продолжительность одного рабочего цикла линии, мин.
 ;
| (7.3) |
где tх – время холостых ходов рабочих машин, связанных с загрузкой и разгрузкой, межстаночным транспортированием, зажимом и разжимом деталей, т.е. вспомогательное время (tв), мин.
tоп – оперативное время обработки одной детали, мин.
Для большинства АЛ продолжительность рабочего цикла и всех его элементов остается неизменной в процессе работы машины, в связи с чем значения технологической и цикловой производительности являются постоянными величинами. В реальных условиях периоды бесперебойной работы рабочих машин АЛ чередуются с простоями, вызванными различными причинами. Вследствие этого, фактическая производительность АЛ отклоняется от цикловой и определяется по формуле:
 ;
| (7.4) |
где Ки.в – коэффициент использования рабочих машин линии по времени:
 ;
| (7.5) |
где Fэф – эффективный фонд времени работы рабочих машин АЛ в анализируемом периоде, мин.;
Тпр – время простоев рабочих машин в этом же периоде, мин.;
tпвц – время внецикловых простоев, приходящихся на единицу продукции, мин.
 ;
| (7.6) |
где tпр – время собственных (режимных) простоев АЛ, мин.;
tпр – время организационно-технических простоев АЛ, мин.
Учитывая выражения 7.5 и 7.6, формулу 7.4 можно переписать в виде:
 ;
| (7.7) |
Собственные (режимные) простои линии функционально связаны с ее конструкцией и режимом работы. Их величина определяется конструктивным совершенством линии, ее надежностью, квалификацией обслуживающего персонала. К ним относятся простои, связанные с регулировкой механизмов, подналадкой и текущим ремонтом оборудования линии, сменой инструмента на рабочих машинах и т.п.
Организационно-технические простои обусловлены внешними причинами, функционально не связанными и не зависящими от конструкции АЛ и системы ее обслуживания. К таким причинам относятся отсутствие заготовок, неявки рабочих, брак на предыдущих стадиях производственного процесса и т.п.
С учетом потерь времени только по причинам режимного характера, определяется потенциальная производительность АЛ:
 ;
| (7.8) |
Соотношение различных показателей производительности позволяет определить эффективность работы АЛ. Для этого принято рассчитывать т.н. коэффициент технического использования АЛ (Кт.и) и коэффициент ее общего использования (Ко.и):
 ;
| (7.9) |
 ;
| (7.10) |
Автоматические линии с гибкой связью как правило оснащаются независимым межоперационным транспортом, позволяющим передавать детали с операции на операцию независимо от другой пары операций. После каждой операции на линии создается бункерное устройство (магазин) для накопления межоперационного задела, за счет которого осуществляется непрерывная работа станков.
Назначение и особенности использования робототехнических производственных комплексов
В современных условиях развития автоматизации производства особое место принадлежит использованию промышленных роботов.
Промышленный робот - это механическая система, включающая манипуляционные устройства, систему управления, чувствительные элементы и средства передвижения. С помощью промышленных роботов можно объединять технологическое оборудование в отдельные робототехнические комплексы различного масштаба, не связанные жестко планировкой и числом комплектующих агрегатов. Принципиальными отличиями робототехники от традиционных средств автоматизации являются ее широкая универсальность (многофункциональность) и гибкость (мобильность) при переходе на выполнение принципиально новых операций.
Промышленные роботы находят применение во всех сферах производственно-хозяйственной деятельности. Они успешно заменяют тяжелый, утомительный и однообразный труд человека, особенно при работе в условиях вредной и опасной для здоровья производственной среды. Они способны воспроизводить некоторые двигательные и умственные функции человека при выполнении ими основных и вспомогательных производственных операций без непосредственного участия рабочих. Для этого их наделяют своеобразными сенсорными способностями, а также способностью к самоорганизации, самообучению и адаптации к внешней среде.
Промышленный робот - это перепрограммируемая автоматическая машина, применяемая в производственном процессе для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям человека, при перемещении предметов труда или технологической оснастки.
В историческом развитии промышленных роботов выделяются три базовых ступени. Роботы первого поколения (автоматические манипуляторы), как правило, работают по заранее заданной «жесткой» программе (например, в жесткой связи со станками, оснащенными ЧПУ). Роботы второго поколения оснащены системами адаптивного управления, представленными различными сенсорными устройствами (например, техническим зрением, очувствленными схватами и т.д.) и программами обработки сенсорной информации. Роботы третьего поколения наделены искусственным интеллектом, позволяющим выполнять самые сложные функции при замене в производстве человека.
Разнообразие производственных процессов и условий производства предопределяют наличие различных типов роботизированных технологических комплексов (РТК) - ячеек, участков, линий и т. д.
Классификация РТК по типу роботизированного подразделения основывается на количественной характеристике выполняемых комплексом технологических операций.
Простейшим типом РТК, который положен в основу более крупных комплексов, вплоть до целых роботизированных предприятий, является роботизированная технологическая ячейка (РТЯ), в которой выполняется небольшое число технологических операций. Примером РТЯ может быть роботизированная единица технологического оборудования с ЧПУ.
Более крупным роботизированным комплексом является роботизированный технологический участок (РТУ). Он выполняет ряд технологических операций и включает несколько единиц РТЯ. Если операции осуществляются в едином технологическом процессе на последовательно расположенном оборудовании, то в таком случае комплекс представляет собой роботизированную технологическую линию (РТЛ).
Структурно РТК может быть представлен в виде цеха, состоящего из нескольких РТУ, РТЛ, автоматизированных складов и связывающих их транспортных промышленных роботов (робоэлектрокаров). Высшей формой организации производства является создание комплексно роботизированного завода.
В зависимости от вида роботизированного производственного процесса, РТК могут быть предназначены для получения заготовок, механической обработки деталей, выполнения процессов сборки, либо для реализации контрольно-сортировочных и транспортно-перегрузочных операций, в том числе - для внутрицехового транспортирования и складских операций.
Проектирование РТК осуществляется в два этапа. На первом осуществляется анализ производственных проблем, выбираются возможные объекты роботизации, состав основного технологического оборудования, вид движения деталей, система рационального автоматизированного управления технологическим процессом и функциональными задачами. На втором этапе осуществляется непосредственное проектирование РТК, предполагающее:
a) формирование структуры, определение количества и характеристик промышленных роботов и технологического оборудования;
b) разработку рациональных планировок оборудования РТК в производственном помещении;
c) составление и отлаживание алгоритмов и программных систем управления РТК..
Компоновочные варианты РТК зависят от решаемых технологических задач, уровня автоматизации, числа и типажа промышленных роботов, их технических и функциональных возможностей. Как правило, компоновочные варианты РТК основываются на принципах индивидуального и группового обслуживания оборудования промышленными роботами.
Возможны три основных варианта индивидуального обслуживания:
a) робот встраивается в технологическое оборудование;
b) робот размещается рядом с оборудованием;
c) несколько роботов обслуживают единицу оборудования.
При групповом обслуживании робот взаимодействует с несколькими единицами технологического оборудования, при этом возможны два варианта компоновки:
a) линейное расположение оборудования вдоль робота;
b) круговое расположение оборудования вокруг робота.
Выбор оптимальных параметров и рациональных конструкторских решений в период проектирования РТК производится с учетом ряда организационно-экономических факторов, таких, в частности, как производительность РТК, ожидаемый уровень его надежности и эффективности функционирования и т.д.
К числу основных параметров РТК относятся:
1. проектная потенциальная производительность;
2. фактическая производительность;
3. уровень надежности;
4. такт РТК.
Одним из важных показателей, характеризующих эффективность функционирования РТК является уровень его надежности. Этот показатель рассчитывается по формуле:
 ;
| (7.3.7) |
где tом – время, затрачиваемое на техническое и организационное обслуживание РТК в анализируемом периоде;
tотк – наработка РТК на отказ за период;
tвос – среднее время восстановления работоспособности РТК в случае его отказа.
