Организационно-технические особенности создания и эксплуатации гибких производственных систем

В современных условиях сфера распространения поточных форм организации производства и соответствующих видов поточных линий (ОНПЛ, ОППЛ, МНПЛ, МППЛ, АЛ, РЛ) ограничена в основном массовым и крупносерийным типами производства, доля которых в общем объеме производства не столь значительна и постоянно уменьшается под воздействием ряда факторов, порождаемых научно-техническим прогрессом. К таким факторам относятся: увеличение многообразия разработки объектов новой продукции; частая сменяемость выпускаемых изделий; возрастание многономенклатурности производства изделий, сборочных единиц, деталей; снижение объема выпуска отдельных изделий при увеличении объема других и т. д. Развитие радиоэлектроники, вычислительной техники и программирования, серийное производство высокопроизводительных многоцелевых станков с ЧПУ (обрабатывающих центров), робототехника и использование групповой технологии обусловили создание базы для автоматизации серийного, мелкосерийного и единичного производств, а также для перехода к гибкому автоматизированному производству и к массовому внедрению гибких производственных систем (ГПС);

В отличие от поточных и автоматических линий, имеющих узкую специализацию на изготовление определенного вида изделий, создание ГПС направлено на обеспечение выпуска серийных и мелкосерийных изделий дискретными партиями, номенклатура и размеры которых могут меняться во времени. При этом использование ГПС должно способствовать сохранению для многономенклатурного производства отличительных особенностей и преимуществ массового производства (непрерывности и ритмичности) и существенному повышению производительности труда и качества выпускаемой продукции при сокращении численности рабочих-операторов.

Гибкие производственные системы отличаются от технических систем, состоящих из универсального оборудования и автономно работающих станков с ЧПУ и от производств, оборудованных станками-автоматами и полуавтоматами в линии (АЛ, РЛ и др.) с механической связью. От производств, оснащенных универсальным оборудованием и станками с ЧПУ, ГПС отличаются высокой производительностью оборудования и труда как за счет одновременного выполнения многих операций производственного процесса с одной установки обрабатываемого предмета труда, так и за счет того, что ГПС может работать в автоматическом режиме круглосуточно. От автоматических линий ГПС отличается гибкостью в широком смысле слова, что позволяет обрабатывать в нем широкую номенклатуру изделий и быструю смену объектов производства.

Обладая широкой гибкостью, ГПС обеспечивает высокую производительность оборудования, приближающуюся куров-ню производительности автоматических линий и линий, скомпонованных из специализированных станков. Основной показатель ГПС - степень гибкости - может быть определен величиной затрачиваемого времени, количеством необходимых дополнительных расходов, при переходе на выпуск изделий определенного наименования, а также широтой номенклатуры выпускаемой продукции.

Понятие степень гибкости производственной системы - это не однозначный, а многокритериальный показатель. В зависимости от конкретной решаемой задачи ГПС выдвигаются различные аспекты гибкости:

1) машинная гибкость - простота перестройки технологического оборудования для производства заданного множества изделий каждого наименования;

2) технологическая гибкость - способность системы производить заданное множество деталей каждого наименования разными вариантами технологического процесса;

3) структурная гибкость - возможность расширения ГПС за счет введения новых дополнительных технологических модулей, а также возможность объединения нескольких систем в единый комплекс;

4) гибкость по объему выпуска - способность системы экономично изготавливать изделия каждого наименования при разных размерах партий запуска и может быть охарактеризована минимальным размером партии, при котором использование системы остается экономически эффективным;

5) гибкость по номенклатуре - способность системы к обновлению выпуска продукции, она характеризуется сроками и стоимостью подготовки производства деталей нового наименования. В мелкосерийном производстве в качестве показателя гибкости номенклатуры можно принять максимальный коэффициент обновления продукции, при котором использование системы остается экономически эффективным.

Важное значение для обеспечения гибкости по номенклатуре имеет унификация конструктивных и технологических решений, достигаемая за счет автоматизации процессов конструирования изделий и технологической подготовки производства, а также широкого применения принципов групповой технологии, являющейся технологическим фундаментом современных механообрабатывающих производств.

Перечисленные виды гибкости тесно связаны между собой и улучшение одного показателя гибкости может вызвать ухудшение другого. Поэтому при сопоставлении различных ГПС, особенно при анализе вариантов на стадии проектирования, желательно пользоваться не качественными оценками, а некоторой системой количественных характеристик, так как создание ГПС, обладающих высокой гибкостью по всем перечисленным показателям, является не только технически невозможным, но и экономически нецелесообразным. Поскольку, каждая ГПС разрабатывается для нужд конкретного предприятия, цеха, участка, она оказывается специализированной не только по своему технологическому назначению, но и по решаемым производственным задачам.

В общем виде под гибкой производственной системой понимается автоматизированное производство, построенное на современных технических средствах (станках с ЧПУ, роботизированных технологических комплексах, гибких производственных модулях, транспортно-накопительных и складских системах и т. д.), способное обеспечивать выпуск широкой номенклатуры продукции, однородной лишь по своим основным конструктивным и технологическим параметрам и способное безынерционно переходить на выпуск новых изделий любого наименования. К числу основных факторов, обеспечивающих функционирование ГПС, относятся: 1) комплексная автоматизация всех основных и вспомогательных технологических операций; 2) программная переналадка технологического оборудования; 3) оперативная (автоматизированная) конструкторско-технологическая и организационно-экономическая подготовка производства; 4) автоматизация управления производственно-технологическими процессами, осуществляемая в режиме реального времени; 5) реализация и оптимизация оперативно-производственного планирования, позволяющая получить максимальную загрузку оборудования, минимизировать производственный цикл и обеспечить комплектность деталей и сборочных единиц для сборки; 6) групповая технология обработки деталей.

Реализация названных факторов обеспечивается за счет функциональных элементов ГПС, которые можно разделить на две группы:

• производственно-технологические функциональные элементы ГАП, составляющие производственно-технологическую часть ГПС;

• электронно-вычислительные функциональные элементы ГАП, составляющие информационно-вычислительную и управляющую часть ГПС.

При проектировании производственно-технологической части ГПС, как правило, используют блочно-модульный принцип на различных организационных уровнях системы (рис. 9.2).

ГПК - гибкий производственный комплекс; ГАЛ - гибкая автоматизированная пиния; ГАУ - гибкий автоматизированный участок; ГАЦ - гибкий автоматизированный цех

Рис. 9.2. Структура гибкой производственной системы:

Основными элементами производственно-технологической части ГПС являются: гибкий производственный модуль (ГПМ), роботизированный технологический комплекс (РТК) и система обеспечения.

Гибкий производственный модуль (ГПМ) - это единица технологического оборудования для производства изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик с ЧПУ, автономно функционирующая, автоматически осуществляющая все функции, связанные с изготовлением продукции, имеющая возможность встраиваться в более сложную ГПС.

В состав ГПМ входят специальное технологическое оборудование (от одного до трех станков с ЧПУ); контрольно-измерительная аппаратура и установки; промышленные роботы и манипуляторы; средства автоматизации технологического процесса; средства идентификации деталей, заготовок, инструмента и оснастки.

Роботизированный технологический комплекс (РТК) -это совокупность единиц технологического оборудования от 3 до10 станков с ЧПУ, роботов и средств их оснащения. Этот комплекс автономно функционирует и осуществляет многократные циклы. Предназначенные для работы в ГПС роботизированные комплексы должны иметь автоматизированную переналадку и возможность встраиваться в ГПС. В качестве средств оснащения они могут быть устройствами накопления, ориентации, поштучной выдачи объектов производства и т. д.

Таким образом, основными характеристиками ГПМ и РТК являются:

• способность работать автономно, без участия человека;

• автоматически выполнять все основные и вспомогательные операции производственного процесса;

• гибкость, удовлетворяющая требованиям единичного и мелкосерийного производств;

• простота наладки, устранения отказов основного оборудования и системы управления;

• совместимость с оборудованием традиционного и гибкого производства;

• большая степень завершенности обработки деталей с одного установа;

• высокая экономическая эффективность при правильной эксплуатации.

В настоящее время создаются и эксплуатируются ГПС полного технологического цикла, на которых детали или изделия обрабатываются (изготавливаются) со 100%-ной готовностью, и ГПС неполного цикла, когда для завершения изготовления детали требуются дополнительные операции, выполняемые вне данной системы. В соответствии с этим создаются более сложные ГПС в виде гибких производственных комплексов (ГПК), гибких автоматизированных линий (ГАЛ), гибких автоматизированных участков (ГАУ), гибких автоматизированных цехов (ГАЦ)-и гибких автоматизированных заводов (ГАЗ).

ГПК - ГПС, состоящая из нескольких ГПМ (1/3 парка от 6 до 10, а остальные - 11 и более ГПМ) или РТК, объединенных АСУ и автоматизированной транспортно-складской системой (АТСС), автономно функционирующая в течение заданного времени и имеющая возможность встраиваться в систему более высокого уровня автоматизации.

ГАЛ - ГПС, состоящая из нескольких ГПМ или РТК, объединенных АСУ, в которой технологическое оборудование располагается в принятой последовательности технологических операций вдоль автоматизированной транспортно-накопительной системы.

ГАУ - ГПС, состоящая из нескольких ГПМ, РТК, ГАЛ и отдельных единиц специального технологического оборудования, автоматизированной транспортно-накопительной системы, объединенных АСУ в гибкий участок, в котором предусмотрено изменение последовательности использования технологического оборудования в пределах заданного технологического маршрута.

ГАЦ - ГПС, объединяющая ГАУ (или ГАЛ), вспомогательные участки и отдельные ГПМ, ГПК, АТСС и управляемая автоматизированной системой.

ГАЗ - ГПС, состоящая из ГАЦ заготовительного производства, ГАЦ обрабатывающей и сборочной стадий, автоматизированных складов материалов, заготовок, комплектующих изделий, готовых деталей и изделий, автоматизированной транспортной системы (АТС), объединенная АСУ.

Система обеспечения функционирования ГПС в автоматическом или автоматизированном режиме включает: а) автоматизированную транспортно-складскую систему - систему взаимосвязанных автоматизированных транспортных и складских устройств с установкой в транспортной таре для временного накопления, распределения и доставки предметов производства и технологической оснастки к ГПМ, РТК или другому технологическому оборудованию в ГПС; б) автоматизированную систему инструментального обеспечения (АСИО), осуществляющую подготовку, хранение, автоматическую замену инструмента; в) автоматизированную систему слежения за износом и поломками инструмента (АССИ); г) автоматизированную систему обеспечения надежности, осуществляющую слежение за состоянием оборудования (АСОН); д) автоматизированную систему управления качеством продукции (АСУКП); е) автоматизированную систему удаления отходов производства (АСУОП).

Производственно-технологическая часть ГПС предназначена для выполнения всех основных и вспомогательных технологических процессов и операций над элементами материального потока.

Основными элементами информационно-вычислительной и управляющей части ГПС являются: система автоматизированного проектирования (САПР); автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП); автоматизированная система управления технологическими процессами ] (АСУТП); автоматизированная система научных исследований (АСНИ); локальные системы управления (ЛСУ); автоматизированная система управления предприятием (АСУП), обеспечивающая автоматизированное организационно-экономическое, управление гибким автоматизированным производством.

Частичная или полная интеграция производственно-технологической части ГПС с функциональными системами информационно-вычислительной и управляющей частей в единую производственную систему превращает ее в гибкое автоматизированное производство (ГАП).

Информационно-вычислительная и управляющая части ГПС обеспечивают управление и координацию деятельности производственно-технологических функциональных элементов системы, которая реализуется иерархией ЭВМ (рис. 9.3).

На первом уровне иерархии управления используются ЧПУ. С их помощью управляются станки и другое технологическое оборудование, промышленные роботы, роботоэлектрокары и прочие транспортные системы.

На втором уровне используются микро-ЭВМ типа «Электроника» и другие программно совместимые с ней ЭВМ. С их помощью управляются ГПМ, РТК, АТС, АСС и другие обеспечивающие системы.

На третьем уровне используются мини-ЭВМ типа СМ-1420 и другие программно совместимые с ними ЭВМ. Мини-ЭВМ управляют группами модулей (ГПК, ГАЛ, ГАУ, ГАЦ). В механообработке в среднем одной микро-ЭВМ может быть подчинено до четырех станков с ЧПУ или один ГПМ, а эти группы станков (ГПМ), в свою очередь, подчиняются мини-ЭВМ следующего

Рис. 9.3. Структурная схема автоматизированной системы управления гибкой производственной системой

уровня, которая может объединять в среднем до восьми микро-ЭВМ предыдущего уровня. На этом уровне с помощью мини-ЭВМ осуществляются хранение программ и другой информации, реализация оперативно-календарного плана, регистрация текущего состояния производства, контроль за неисправностью оборудования и т. д.

На четвертом уровне используется ЭВМ типа ЕС в составе

АСУП.

На всех этапах разработки гибкие производственные системы рассматриваются как сложные производственные системы, в состав которых входят производственно-технологические и электронно-вычислительные элементы ГАП, предметы труда и обслуживающий персонал, а также система управления. Задача проектирования заключается в том, чтобы обеспечить высокие технико-экономические показатели не только

каждого элемента ГПС, но и всей системы в целом.