Тенденции развития средств автоматизации
Жёсткая и гибкая автоматизация
Существуют два принципиально различных по средствам осуществления типа автоматизации: жёсткая и гибкая.
При жёсткой автоматизации управление функционированием средств автоматизации базируется на жёсткой кинематической связи между её элементами. Жёсткая автоматизация применяется в массовом и крупносерийном производстве для обеспечения обработки одной или нескольких однотипных деталей.
Жёсткая автоматизация основана на использовании станков-автоматов, полуавтоматов; агрегатных станков, оборудованных манипуляторами; автоматических линий (АЛ) – непереналаживаемых в массовом и переналаживаемых в крупносерийном производстве.
Такая автоматизация имеет ряд ограничений:
- быстрое моральное старение;
- длительный срок и высокую стоимость освоения новой продукции;
- ограниченные возможности для автоматизации операций, требующих гибкости в процессе выполнения (сборка, контроль, испытания, ремонт).
Поэтому сейчас в крупносерийном производстве всё чаще используется автоматизация в виде создания гибких производственных систем (ГПС) на базе специальных станков и станков с ЧПУ.
Сегодня около 80% мирового производства продукции осуществляется малыми сериями от 10 до 50 изделий. Если оценить время, в течение которого в производстве имеет место автоматизированный процесс, то это будет очень маленькая величина – в металлообработке, например, это будет около 2%. При этом общее время обработки составляет всего 5%, а остальные 95% времени приходится на транспортировку, пролёживание на складе и т.п. Устранение этих потерь времени и автоматизация мелкого производства достигаются с помощью гибких средств.
Гибкая автоматизация применяется в единичном, мелко- и среднесерийном производстве. Она основана на станках с ЧПУ, роботизированных станках с ЧПУ (модулях), роботизированных участках станков с ЧПУ, ГПС. Перестройка гибкого производства на обработку новых деталей требует малого времени и заключается в замене режущего инструмента, станочной оснастки и программного обеспечения.
Предел, к которому стремится процесс гибкой автоматизации производства, можно приблизительно описать так:
- производство изделий сколь угодно малыми партиями, вплоть до единичного выпуска;
- себестоимость и производительность, близкие по значениям к таковым в массовом производстве;
- практически безлюдное производство;
- комплексная автоматизация всех составляющих производства, от разработки конструкторской документации на выпускаемые изделия до планирования и управления производством в целом.
Хотя традиционно считается, что гибкая автоматизация ориентирована на мелкое производство, сегодня она применяется и в массовом и крупносерийном производстве.
Тенденции развития средств автоматизации
Долгое время основным направлением комплексной автоматизации машиностроения была автоматизация массового производства на основе станков-автоматов и полуавтоматов, автоматических и поточных линий: 80-90% таких деталей, как блоки цилиндров и головки блоков двигателей, валы коробки передач, подшипники и др. обрабатываются на АЛ. Однако это оборудование является специальным, т.е. на обработку других деталей не переналаживается. Серийное же производство длительно базировалось только на универсальном неавтоматизированном оборудовании, малопроизводительном, но достаточно гибком (быстро переналаживаемом на обработку других деталей). Переломным моментом в автоматизации серийного производства явилось создание станков с ЧПУ, которые сочетают высокую производительность с гибкостью благодаря наличию электронных систем управления.
Первоначально с ЧПУ строились, главным образом, металлорежущие станки-полуавтоматы токарной, фрезерной, расточной и сверлильной группы. В настоящее время с ЧПУ выпускаются сварочные машины, прессы, станки для электрофизической и электрохимической обработки, термическое оборудование и т.д.
Можно отметить некоторые тенденции развития оборудования с ЧПУ, характерные для современного этапа развития производства.
Первая тенденция – переход к многоинструментальной и многопозиционной обработке. Сколько бы ни было инструментов в магазине обычного станка с ЧПУ, в любой конкретный момент происходит обработка только одной детали одним инструментом, т.е. отсутствует совмещение операций как важнейший фактор повышения производительности. Последовательная, без совмещения обработка всех элементов сложных деталей занимает длительное время. Так, обработка станин станков продолжается 6-40 час. Для сравнения: такт выпуска блоков цилиндра двигателей автомобиля на АЛ составляет 1,0-1,5 мин. Поэтому принципы, разработанные и реализованные при автоматизации массового производства, должны быть перенесены на оборудование для серийного производства. В простейшем случае это означает параллельную обработку нескольких одинаковых деталей, закреплённых на одном столе. Другой способ реализации принципа совмещения операций – создание однопозиционных станков с многосторонней обработкой детали одновременно несколькими инструментами.
Вторая тенденция – переход от отдельных, не связанных между собой станков с индивидуальными процессорами к автоматизированным технологическим комплексам, управляемым компьютером, т.е. переход от локальной автоматизации к комплексной. Такой комплекс включает:
а) комплект технологического оборудования, необходимого для обработки определённого типа деталей (валов, шестерен, корпусов и др.);
б) транспортно-накопительную систему;
в) автоматизированную систему управления технологическими процессами (АСУТП), которая реализует не только непосредственно управляющие, но и информационные функции (учёт работы оборудования и количества изделий, экономические показатели работы комплекса, техническую диагностику и т.д.). Такие системы строятся для весьма широкой номенклатуры обрабатываемых деталей с различными методами и маршрутами обработки.
Построенные на основе модулей, ГПС с автоматизированными складами изделий, инструмента и технологической оснастки, обслуживаемые автоматическим транспортом и управляемые компьютером, позволяют автоматизировать серийное производство. При этом численность обслуживающего персонала сокращается в 4-5 раз, станочный парк – в 5-7 раз, а время производства до 20 раз.
Рассмотрим пример способов автоматизации обработки корпусной детали при повышении объёмов её выпуска. (Слайды 8…13)
Имеется корпусная деталь, на верхней плоскости которой необходимо получить 30 одинаковых резьбовых отверстий, выполнив сверление (1 мин. на отверстие), зенкование фасок (0,1 мин.) и нарезание резьбы (0,6 мин.)
В условиях неавтоматизированного производства такая обработка может быть выполнена на радиально-сверлильном станке (слайд 9). Здесь автоматически выполняются функции вращения шпинделя и его подачи. Все остальные функции в пределах рабочего цикла: подвод и отвод шпинделя с инструментом, подъём и поворот траверсы; радиальное перемещение шпиндельной бабки по траверсе; установка и закрепление детали, её открепление и съём, замена инструмента, включение, переключение режимов и пр. – выполняет рабочий.
Устройства управления обслуживают лишь дискретные элементы цикла в пределах одного рабочего хода инструмента при обработке элементарной поверхности. Переход с одного элемента рабочего цикла на другой, включая отвод и установку инструмента на новую глубину обработки, производится человеком.
Особенностью универсальных станков является отсутствие совмещения операций. Это одноинструментальные станки, поэтому время рабочих ходов цикла равно суммарной длительности всех элементов обработки. Ограниченные возможности человека почти исключают и совмещение вспомогательных функций по установке деталей, замене инструмента, его подводу и отводу и т.д.
Итак, при отсутствии совмещения действий во времени рабочее время составит 30·(1 + 0,1 + 0,6) = 51 мин.
Обычно при работе на универсальных станках основное технологическое время составляет 25..30%, следовательно, вспомогательное время составит 120 мин. Длительность рабочего цикла, т.е. время на выдачу со станка одной детали, составит 170 мин. При этом 30% времени станок работает, а человек простаивает.
В этом примере видны все недостатки неавтоматизированного производства: низкая производительность, монотонный ручной труд.
Как автоматизировать процесс? Часто думают, что для этого достаточно поставить у станка промышленный робот, который возьмёт на себя ручной труд, и компьютер, который будет выполнять все умственные функции. Это глубокое заблуждение. Конструкция и компоновка радиально-сверлильного станка так же идеально «подогнаны» к человеку, как сшитый на заказ хороший костюм. Ни с роботом, ни с компьютером станок без коренной переделки работать не сможет.
Рассмотрим сложившиеся инженерные решения по автоматизации обработки отверстий.
Первый, более простой вариант – многооперационный станок-полуавтомат с ЧПУ (слайд 10). Радиально-сверлильный станок и станок с ЧПУ будут иметь одинаковые: структуру рабочего цикла, порядок выполнения обработки, технологический комплект инструмента. Однако они резко отличаются как по компоновке, так и по конструкции.
В станке с ЧПУ автоматизированы все вспомогательные перемещения: подвод и отвод инструмента, координатная перестановка инструмента и детали, последовательность выполнения всех элементов цикла, переключение технологических режимов, управление перемещениями и т.д. Рабочий лишь снимает готовую деталь, устанавливает и закрепляет новую заготовку и включает станок. Далее весь рабочий цикл выполняется автоматически по командам с пульта программного управления. Комплект инструментов находится в инструментальном магазине, их замена также автоматизирована, изменение координат обработки производится перемещением стола по двум координатам в координатной плоскости.
При обработке на таком станке рабочий может обслуживать несколько станков, в связи с чем повышается производительность труда.
Продолжительность обработки, если не применены иные конструкции инструмента, существенно не меняется. При любом объёме инструментального магазина одновременно может работать только один инструмент, совмещение рабочих и холостых ходов во времени отсутствует, поэтому производительность по сравнению с обработкой на обычном универсальном станке увеличится не более чем на 40-60%. Это достигается интенсификацией вспомогательных действий благодаря их автоматическому выполнению.
Однако в пределах первой ступени автоматизации имеются иные технические решения, прежде всего использование принципа совмещения операций, применение многоинструментальной и многопозиционной обработки.
На слайде 11 показан многопозиционный агрегатный станок-полуавтомат. Станок имеет три рабочие позиции, в которых каждая деталь проходит последовательно операции сверления отверстий, зенкования фасок, нарезания резьбы и одну холостую – для загрузки и съёма деталей. На каждой позиции одновременно обрабатываются все отверстия с помощью многошпиндельных насадок с инструментами. Обработка производится во время остановки поворотного стола. На холостой позиции в это время идёт замена деталей. Таким образом, на агрегатном станке время рабочих ходов определяется не суммой всех переходов, а длительностью лишь одного из них - сверлением отверстия (1 мин.). Следовательно, для нашего примера оно сокращено по сравнению с одноинструментальным станком почти в 50 раз! Благодаря совмещению сокращены и холостые ходы цикла: все подводы и отводы производятся одновременно, инструмент не заменяется, загрузка и съём совмещены по времени с обработкой. Несовмещённые холостые ходы цикла складываются из времени быстрого подвода и отвода лимитирующей силовой головки (сверлильной) и поворота стола станка (0,25 мин.). В итоге длительность рабочего цикла – 1,25 мин.
Сочетание автоматизации цикла и совмещения операций позволяет повысить производительность по сравнению с универсальными станками в десятки раз! Однако достигается это за счёт потери универсальности. Радиально-сверлильный станок быстро переналаживается на обработку широкого круга изделий; обрабатывающий центр – труднее, но без принципиальных трудностей. Многопозиционный агрегатный станок очень сложно переналаживается и может быть эффективно использован только в условиях массового и крупносерийного производства.
Заметьте, что многопозиционный станок-полуавтомат по своим конструктивно-компоновочным формам не похож ни на универсальный радиально-сверлильный станок, ни на станок с ЧПУ, хотя обрабатываемые детали одни и те же.
Обработку корпусных деталей можно выполнять и на АЛ из агрегатных станков, реализуя тем самым вторую ступень автоматизации. (Слайд 12)
Обработка изделий на АЛ производится в стационарных приспособлениях, где деталь фиксируют и зажимают.
Перемещение с позиции на позицию выполняет шаговый конвейер. Цикл работы АЛ: 1) ход конвейера вперёд, перемещение деталей на один шаг; 2) фиксация и зажим деталей в приспособлениях; 3) быстрый подвод всех силовых головок с многошпиндельными насадками; 4) обработка, которая начинается одновременно на всех рабочих позициях; в это время происходят установка очередной заготовки на первую, загрузочную позицию и возврат шагового конвейера; 5) быстрый отвод силовых головок; 6) разжим и расфиксация деталей.
Если дифференцировать сверление отверстий на две части с выполнением на разных позициях, рабочий цикл линии будет составлять 0,9 мин., т.е. производительность по сравнению с радиально-сверлильным станком повысится почти в 200 раз!, но переналадка практически невозможна.
Основная цель этого примера – уберечь от превратного представления о методах и сущности автоматизации производства. К сожалению, очень доходчивой и растиражированной оказалась такая трактовка: при автоматизации к сверлильному (токарному и т.п.) станку пристыковываются промышленный робот и персональный компьютер, которые вместе якобы образуют «автоматизированный технологический модуль» как основную ячейку автоматизированного производства.
При этом подразумевается, что станок как комплекс технологических, структурно-компоновочных и конструктивных решений остаётся в основном неизменным, зато избавляется от постоянного присутствия рабочего, а рабочий – от непривлекательного физического труда и умственных усилий. Но из приведённых примеров видно, что переход на любую более высокую степень автоматизации требует принципиально иных технических решений.
Давайте посмотрим подробнее. Если конкретно «инвентаризовать» все элементарные действия человека при обслуживании радиально-сверлильного станка (поворот и подъём траверсы, перемещение в шпиндельной бабке, подвод и отвод шпинделя вращением рукояток, замена инструмента, включение и выключение подачи и т.д.), то выясняется, что никакой робот не в состоянии воспроизвести этот комплекс движений. Заменить человека может только другой человек. Любые технические средства, те же промышленные роботы, могут выполнять лишь отдельные функции из бесконечного диапазона человеческих возможностей – лишь иногда быстрее и лучше!
Можно представить себе невероятное зрелище, когда промышленный робот своими клешнями-схватами будет вращать маховички и лимбы, катить по траверсе шпиндельную бабку (слайд 13). Столь же невероятным будет подключение к станку компьютера – его не к чему подключать: в радиально-сверлильном станке все органы управления рассчитаны только на ручное использование.
Все технические средства неавтоматизированного производства десятилетиями и даже веками создавались и отрабатывались применительно к возможностям и особенностям человека, образуя вместе с ним единую систему «человек-машина». Убрать из этой системы человека, сохранив остальное – нелепость.
Переход на более высокую ступень технического совершенства, в том числе на новую ступень автоматизации, требует коренного пересмотра технологии, разработки новых, нетрадиционных конструкций и компоновок машин, отличных от неавтоматизированного оборудования.