Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ГЛАВА 1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГПС
В настоящее время существуют большие возможности увеличения доходов на инвестированный капитал для тех фирм, которые готовы к применению гибких производственных систем, и, наоборот, не будет преувеличением считать, что неудача в использовании ГПС может привести фирму к возникновению почти необратимой потери конкурентоспособности и, соответственно, доли сбыта продукции.
Именно ГПС, а не промышленные роботы знаменуют собой начало этапа научно-технической революции, который позволит в машиностроении достигнуть уровня автоматизации, давно существующего в перерабатывающих отраслях.
Безусловно, ГПС не дают ответа на все вопросы, но там, где необходимо, их преимущества нужно всемерно использовать. Причина этого довольно проста — ведь рассматривают не новый производственный процесс, который даст резкий толчок повышению производительности, а концепцию, которая коренным образом изменит все методы работы фирм — от закупок материалов и оформления заказов до распределения и сбыта готовой продукции.
С внедрением ГПС становится практически осуществимым сочетание высокой производительности с малыми размерами партии изделий и коротким периодом освоения их производства. Таким образом, стратегия производства выходит на качественно новый этап, причем в самое оптимальное время. Из-за протекционизма в таких странах, как Австралия, и в большинстве южноамериканских государств нередко возникает необходимость в изготовлении оборудования отдельных видов в заведомо экономически неэффективных объемах.
Установив ГПС, можно, например, блоки цилиндров двигателей или корпуса клапанов и насосов двух-трех типоразмеров изготовлять небольшими партиями при сравнительно небольших затратах. Таким образом, многие фирмы смогут построить небольшие предприятия местного значения. При выпуске продукции на заводах этих фирм появится возможность значительно быстрее, чем сейчас, реагировать на изменения рыночной конъюнктуры.
В чем же состоят преимущества ГПС? Достаточно простым ответом на этот вопрос будет такой: они предоставляют фир-
мам реальную возможность резкого снижения значительных скрытых производственных затрат, например, на незавершенное производство, и таких накладных расходов, как оплата труда вспомогательных рабочих. Стоимость материалов и объем накладных расходов составляют в настоящее время 50—90 % общих производственных затрат, поэтому любой выигрыш здесь приносит значительные результаты. Применение ГПС также приводит к созданию безлюдного производства, но все же в большинстве случаев их преимущества чаще проявляются в уменьшении накладных расходов, чем в сокращении стоимости рабочей силы.
Результаты применения первых производственных систем были впечатляющими. При использовании одной ГПС, например, прибыль за пять лет составила 15 млн. фунтов стерлингов (ф. ст.), а в цехе, оснащенном станками с числовым программным управлением (ЧПУ) типа CNC (Computer Numerical Control — программное устройство ЧПУ от пристаночной ЭВМ), за тот же период она слегка превысила 1 млн. ф. ст. Кроме того, сообщалось, что стоимость незавершенного производства сократилась в первом случае с 3 млн. до 150 тыс. ф. ст. При использовании еще одной ГПС часовая производительность увеличилась вшестеро при сокращении времени смены инструментов с 80 до 4 ч.
Некоторые фирмы сообщают об уменьшении периода освоения новых изделий на 50...60 % и двух- или трехлетием периоде окупаемости для крупных капиталовложений. Благодаря ГПС брак на одной фирме сократился с 25 до 5 % от объема выпуска, а на другой была наполовину снижена огромная стоимость товарно-материальных запасов. Во всех случаях как в финансовом, так и в производственном отношениях были выявлены значительные преимущества ГПС. С внедрением новых ГПС фирмы добиваются утраивания производительности или выработки на одного занятого (рис. 1.1).
Что же представляет собой ГПС? Когда Т. Уильямсон, прежний директор управления исследований и разработок фирмы "Молинз” (Великобритания), выдвинул свою концепцию, он имел в виду гибкую систему механической обработки деталей, и первые системы были установлены в механических цехах. Гибкая система механической обработки, разработанная в соответствии с концепцией Уильямсона, получила название ”Систэм-24”, поскольку была предназначена для работы в течение 24 ч в сутки и управлялась ЭВМ. Практически без вмешательства обслуживающего персонала она работала по 16 ч в сутки (в вечернюю и ночную смены). Так начался путь к внедрению ГПС.
Для выполнения ряда механических операций по обработке широкой номенклатуры заготовок Уильямсон предпола- 10
гал использовать станки с ЧПУ. Заготовки намечалось устанавливать вручную на приспособления-спутники (в дальнейшем спутники), которые должны были перемещаться к станкам и там автоматически загружаться. Каждый станок предполагалось снабжать инструментальным магазином, откуда автоматически должны были выбираться инструменты для проведения различных операций. В эту ГПС были включены также устройства для уборки стружки и для мойки деталей. Система сочетала в себе гибкость, характерную для станков с ЧПУ типа CNC, с минимальным количеством обслуживающего персонала и была в основном тем обрабатывающим комплексом, который теперь получил название ГПС. С внедрением роботов и другого управляемого от ЭВМ оборудования появилась возможность использования концепции ГПС для других производственных процессов, в том числе для обработки металлов давлением и сборки (рис. 1.2). Идеальным случаем применения ГПС могло бы также стать мелкосерийное многономенклатурное производство запасных частей.
В первых установленных ГПС фактически была скопирована концепция Уильямсона и добавлены некоторые усовершенствования в области обнаружения и коррекции износа инструментов и обнаружения их поломки. В результате возникла возможность обработки широкой номенклатуры заготовок на нескольких станках с незначительным вмешательством обслуживающего персонала. Такая гибкость и высокая производительность — две основы, на которых держится применение ГПС. Если использовать этот термин в более широком смысле, например, как ’’гибкая автоматизация”, не ограничивая его рамками механической обработки, то можно с уверенностью считать, что ГПС окупятся почти в любой отрасли производства.
Однако вопрос заключается в том, чтобы найти границу между применением ГПС и использованием соответствующей комбинации жесткой автоматизации с ручными операциями. Хотя для различных отраслей промышленности существуют различные решения, ГПС любого типа — для обработки металлов давлением, механической обработки или сборки — должны найти Свое место при осуществлении любой производственной стратегии.
Иронически выглядит тот факт, что некоторые из первых ГПС казались негибкими и годными для изготовления деталей лишь небольшой номенклатуры. Это были первые образцы, и они появились именно в станкостроении, которое нередко предъявляет необычные производственные требования. Однако такая ситуация не должна преуменьшать тот факт, что концепция ГПС применима для многих отраслей промышленности. Здесь, как и у большинства новых концепций, ос-
Рис. 1.2. Функциональная схема ГПС
новная задача состоит в том, чтобы использовать все ее удачные стороны, отбрасывая в то же время и неприемлемые.
Подобно тому, как нередко термин ’’автоматизация” в разных отраслях имеет различное содержание в зависимости от геометрических размеров, объема выпуска и количества типоразмеров изделий, так и термин ’’гибкость” имеет разные значения, определяемые отраслью промышленности и видом изделия. Гибкость — это один из основных (хотя и не единственный) критериев ’’выживания” в промышленности.
Нередко возникают разногласия относительно степени гибкости. В цехе мелкосерийного производства должны иметься возможности выполнения операций механической обработки любого заказанного изделия — от небольшой втулки до
крупного литого корпуса. В то же время для управляющего автосборочным заводом большим достижением является изготовление на одной производственной линии четырех вариантов кузовов. При смене моделей изделий линия в основном остается без изменений.
Таким образом, от внедрения ГПС ожидают получения следующих преимуществ:
уменьшение размеров предприятия;
увеличение коэффициента использования оборудования, что с учетом пп. 1 и 3 снижает накладные расходы;
уменьшение по меньшей мере наполовину объема незавершенного производства;
сокращение затрат на рабочую силу в результате применения безлюдного производства;
уменьшение времени переналадок;
ускорение смены выпускаемых моделей изделий;
сокращение сроков поставок продукции;
стабилизация точности изготовления;
стандартизация технологического оборудования;
увеличение срока службы капитального оборудования;
развитие в направлении САПР-АСТПП (CAD/CAM).
Какие бы изделия ни выпускала фирма, главная цель у нее такая же, как и у любой другой. И зта цель, о которой нередко забывают работающие с перегрузкой руководители производств, выполнение требований, предъявляемых заказчиками. Эти требования включают соблюдение ряда условий, в том числе обеспечение минимального срока между размещением заказа и поставкой готовых изделий; их высокого качества и надежности; постоянного наличия запасных частей.
С другой стороны, для поддержания достаточно высокого уровня прибыльности фирмы ей необходим высокий уровень доходов на инвестированный капитал, что требует минимального объема складирования готовой продукции и незавершенного производства; незначительного количества обслуживающего персонала и максимального коэффициента загрузки ян- томатизированного оборудования.
Безусловно, во многих отношениях эти требования противоречат друг другу, но для быстрого выполнения заказов и сведения к минимуму дорогостоящих складских запасов решающим фактором является сокращение периода освоения производства новой продукции — от выбора заготовок до получения готовых изделий. Обеспечение короткого периода освоения, являющегося залогом высокой конкурентоспособности фирмы, — одна из важнейших характеристик ГПС.
Для поддержания высокого качества продукции требуется, как известно, высокий уровень автоматизации. Поэтому 14
для избежания брака в процесс обработки со временем вносят необходимые изменения. Однако традиционно автоматизация влечет за собой высокие капиталовложения и снижение гибкости. Теперь же высокий уровень автоматизации необходим для того, чтобы высокое качество могло быть гарантировано и при размере партии, составляющей всего лишь пять-шесть деталей.
Стремясь к получению высокого уровня прибыли на инвестированный капитал, администрация фирм должна справляться со значительными колебаниями спроса на различные изделия и переходить на выпуск новых изделий без больших затрат или длительных простоев. Например, в некоторых отраслях, таких, как производство игрушек и потребительских товаров, существует довольно значительный сезонный спрос, например, перед рождественскими праздниками, в то время как крупные события, например, Олимпийские игры или чемпионат мира по футболу, временно вызывают высокий спрос на телевизоры и видеомагнитофоны. Кондиционеры покупают преимущественно весной, а электрообогреватели — осенью.
Кроме того, существуют большие колебания спроса на различные модели оборудования. У телевизоров, например, существует тенденция к увеличению размеров экранов. В то же время возник значительный спрос на небольшие переносные телевизоры. Однако, как бы интенсивно ни проводились исследования рынка, фактически никто не может быть уверенным, каким через три года будет объем реализации телевизоров с размером экранов 45—50 см. Автомобильные фирмы также не могут с уверенностью определить, какие модели кузовов станут более популярными — хзчбек или седан — и уж во всяком случае не знают, как будет в дальнейшем меняться соотношение между ними. Не может быть у руководителей фирм уверенности и в том, каково будет соотношение на рынке между автомобилями с бензиновыми и дизельными двигателями.
Конъюнктура рынка постоянно меняется, и нет сомнения, что темпы ее изменения в будущем станут выше, чем были в прошлом. Происходящие изменения наглядно отражает промышленность по выпуску бытовой радиоэлектронной аппаратуры. Вначале была разработана монофоническая звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура. Затем появилась стереофоническая, а теперь и аппарат”ра с числовым управлением на базе новых типов магнитных лент и дисков. Однако звуковые магнитофоны и проигрыватели могут быть быстро заменены видеоаппаратурой, поскольку потребители хотят не только слышать, но и видеть. В результате на рынке видеоаппаратуры возникла неразбериха. Существуют
видеокассетные магнитофоны, а теперь уже появились и дисковые видеопроигрыватели в сочетании со сверхкомпактными видеокассетными магнитофонами новейшей конструкции. И замыкают эту серию аппараты на стираемых магнитных дисках, которые вообще меняют всю ситуацию в этой области.
Кроме того, возникла тенденция к популярности сверхмалогабаритной звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуры, примером которой является крохотный аппарат ’’Уокмен” фирмы ’’Сони”. Не успела внедриться на рынке первая модель, как другая фирма выпускает новую, еще меньшую и так почти до бесконечности. Время существования на рынке такой аппаратуры вновь выпущенного одной из фирм изделия не превышает четырех месяцев. Разумеется, предприятие должно обладать достаточной гибкостью, чтобы иметь возможность быстрого перехода на выпуск множества последующих моделей.
На эти нормальные, хотя и постепенно увеличивающиеся конъюнктурные колебания налагаются такие крупные события, как кризисы спроса и предложения, рост цен на нефть и другие товары, торговые эмбарго, протекционизм и изменение курса различных валют. Безусловно, чтобы приспособиться к этим событиям, фирмам нужно вести гибкую политику, в том числе создавать гибкое производство.
Встречаясь с такими случайностями, каждая фирма разрабатывает стратегию, основанную на собственных прогнозах различных достоинств и недостатков рыночной конъюнктуры, ее плюсов и минусов. Наряду с этим существует законодательство, делающее изделие более популярным, открывающее для него новые области сбыта или закрывающее старые. Гибкость, являясь частью такой корпорационной стратегии, должна распространяться и на производство.
Однако гибкости самой по себе еще недостаточно. Фирме для поддержания своей конкурентоспособности на должном уровне необходима также высокая производительность, обусловливающая низкую стоимость выпускаемой ею продукции. В конце концов, квалифицированный рабочий-станочник, токарно-револьверный станок и вертикально-сверлильный станок на колонне тоже представляют собой исключительно гибкую комбинацию. Получив чертеж и материал, станочник имеет возможность изготовить широкую номенклатуру деталей, причем размер партии может колебаться от одной детали до любого требуемого количества. Однако ему требуется время на наладку станка, выбор инструментов, а для выполнения некоторых операций, возможно, придется изготовить специальные приспособления.
Поэтому не вызовет большого удивления тот факт, что производительность станочника, обладающего известной ’’гиб- 16
костью”, довольно низка, особенно при небольших размерах партий деталей. Кроме того, немало времени простаивают сами станки.
Результаты исследований фирмы ’’Цинциннати милакрон” показали, что в цехах мелкосерийного производства непосредственно на станке заготовка находится около 30 % рабочего дня. Остальное время станочник налаживает станок, ходит получать заготовки для выполнения следующего заказа, готовит инструмент и т.д. Более того, исследования показали, что время непосредственного резания заготовки фактически составляет лишь около 5 % от времени ее пребывания в цехе.
Правда, внедрение станков с ЧПУ и особенно с ЧПУ типа CNC позволило резко увеличить показатели, приведенные выше. Это произошло прежде всего потому, что на одном станке стало возможным выполнять за один установ большее количество операций. И все же оцератор, обслуживающий станок, — это наглядный пример сочетания высокой гибкости с низкой производительностью и незначительным коэффициентом использования станка.
Немалой гибкостью обладает и сборочная линия с ручным обслуживанием. Достаточно квалифицированные операторы могут собрать на ней почти любое изделие приемлемых размеров. Кроме того, они, например, могут определить дефектную резьбу до того, как она стала причиной какого-либо повреждения, или на ощупь выявить посадку детали, вводимой в корпус. Однако без средств автоматизации сборщикам нелегко повысить свою производительность. Безусловно, по мере освоения темпа и последовательности движений при сборке, а также благодаря доходчивому инструктажу производительность труда сборщиков можно постепенно увеличить. Но при таком увеличении рабочие уподобляются точно настроенной машине.
Гибкость ручных операций в любом процессе обусловлена возможностью увеличения при необходимости количества обслуживающего персонала линии и его сокращения, когда эта необходимость отпадает и рабочая сила становится избыточной. Однако в настоящее время такой курс неприемлем, во всяком случае он чреват множеством скрытых расходов при найме рабочей силы, ее увольнении и затем уплате компенсации за это увольнение. Разумеется, более рационально стремиться к высокой производительности и уменьшению количества обслуживающего персонала, что может оставаться постоянным независимо от уровня колебаний объема производства.
Нужно отметить также, что и сборщики, несмотря на свою ловкость, делают ошибки, особенно когда они собирают изделия нескольких вариантов. Сборщик может, например, взять деталь не из того бункера, забыть выполнить какую-либо
операцию или же, если не подана требуемая в данный момент деталь, выпустить узел с невыполненной операцией (рис. 1.3).
Одним из недостатков обычного производства, нередко при разработке производственной стратегии упускаемых многими администраторами, является чрезвычайно низкий и даже неприемлемый коэффициент использования оборудования на предприятии. Внедрение ГПС может все это изменить.
В настоящее время операторы сборочных линий в легкой промышленности работают только в одну смену, а в автомобилестроении — в две, но с увеличением производительности стремление к ликвидации ночных смен будет постоянно возрастать. В конце концов, если руководители предприятия работают только днем (хотя этот день иногда может длиться довольно долго), почему бы такой режим не установить и для операторов? Ключом к решению проблем будущего является разработка методов осуществления круглосуточной работы предприятий, причем в течение двух смен без участия или с минимальным участием обслуживающего персонала.
С учетом праздников в году насчитывается примерно 240 рабочих дней, поэтому даже при двух восьмичасовых сменах предприятие работает в год всего 3840 ч, или 44 % общегодового фонда времени. Фактически же смена за вычетом обеденного перерыва продолжается 7,5 ч, что снижает время работы предприятия в году до 41 % общегодового фонда. В результате происходящих по той или иной причине остановок фактический коэффициент загрузки рабочей силы на сборке достигает примерно 75 %, что сокращает время работы предприятия (двухсменной) в году уже до 31 %. На многих предприятиях работают в одну смену, следовательно, это время снижается до 15 % общегодового фонда. Такое недоиспользование возможностей предприятия выглядит довольно нелепо и позволяет объяснить, почему так низок уровень капиталовложений в автоматизацию предприятий во многих отраслях промышленности.
Разумеется, на предприятиях мелкосерйного производства ситуация складывается гораздо хуже, поскольку там много времени затрачивается на ожидание, наладку и т.д. При коэффициенте использования рабочего времени, равном 30 %, на односменную работу приходится менее 10 %, т.е. из 168 ч в неделю механическая обработка длится 12 ч.
В том-то и состоит притягательная сила ГПС, что она обеспечивает гибкость и работу с минимальным вмешательством обслуживающего персонала и, следовательно, высокую прибыль на инвестированный капитал при низкой себестоимости выпускаемых изделий. Разумеется, нет никакого чуда в предприятии, функционирующем совершенно без обслуживающего персонала. Во многих случаях, однако, целесообразнее до-
Рис. 1.4. Типовая компоновка ГПС, управляемой ЭВМ и оснащенной гибким производственным модулем на участке механической обработки, робокаром, контрольно-измерительными устройствами и сборочными агрегатами
верить работы, которые в настоящее время с трудом поддаются автоматизации, небольшой группе операторов. Разница в прибыли на инвестированный капитал при выполнении операции без участия обслуживающего персонала или с его минимальным участием (рис. 1.4) невелика.
На первом этапе наиболее широко стали применять ГПС в механических цехах, оснащенных станками с ЧПУ типа CNC. Однако концепции ГПС можно распространить и на роботизированные сборочные линии, штамповку на прессах, оснащенных ЧПУ типа CNC, и гибку листового материала или на литейные цеха, работающие без обслуживающего персонала. Некоторые из этих концепций нашли в настоящее время свое практическое воплощение, другие же требуют для реализации значительных инженерных усилий. Существующие гибкие станки, управляемые от ЭВМ, датчики и мониторы, роботы, робокары и автоматизированные склады ожидают слияния в единую производственную систему.
Применение каждой из этих концепций дает в перспективе возможность кругл у суточной работы оборудования (в ночную смену возможно даже без обслуживающего персонала) вместо нынешних 15...20 ч. Сразу же потенциально обеспечивается резкое повышение коэффициента использования оборудования. А это в свою очередь влечет за собой возможность значительного сокращения размеров и стоимость нынеш- 20
них предприятий. Так, размеры предприятия, оснащенного ГПС, могут быть чуть ли не втрое меньше обычного. Однако преимущества оснащения предприятий ГПС еще значительнее, чем они кажутся, в связи с повышением темпов сокращения обслуживающего персонала. Дело в том, что в этом случае не возникает трудностей при обеспечении непрерывной работы предприятий во время выходных и праздничных дней. В конце концов, их можно на неделю и закрыть.
В этом случае годовое время потенциального использования оборудования увеличивается до 8592 ч, т.е. до 98 % общегодового фонда или 73 % при коэффициенте использования производственной мощности, равном 75 %. Другими словами, при возможности получения правильного баланса загрузки оборудования размеры предприятия, оснащенного ГПС, составят всего лишь 20 % размеров обычного предприятия при односменной работе ( а не 33 %, как указывалось выше) и менее половины при двухсменной.
Кроме этих простых расчетов существует другой способ сокращения требуемых размеров предприятия. Речь идет о площадях под склады сырья, комплектующих изделий, полуфабрикаты незавершенного производства и готовой продукции. Если объем незавершенного производства можно будет сократить хотя бы наполовину (а в некоторых случаях его сокращают гораздо больше), то высвободится большое пространство вокруг цехов и на складах. Если эти преимущества ГПС можно было бы реализовать в полном объеме, то альтернативы им уже не будет.
Удачным примером использования потенциальных возможностей применения ГПС является предприятие по сборке телевизоров. В настоящее время такие предприятия полностью автоматизированы, за исключением сборки, где несколько сборочных линий работают в одну смену. На одном из предприятий имеется шесть сборочных линий со сменной производительностью каждой 1000 телевизоров. Фактически цикл сборки длится 20 с, а с коэффициентом использования производственной мощности 75 % он достигает 27 с. При 240 рабочих днях в год на этом заводе собирают 1440 тыс. телевизоров.
При работе сборочных линий почти без обслуживающего персонала в три смены количество рабочих часов увеличится с 1800 до 5400, в результате чего зти 1440 тыс. телевизоров можно собрать всего лишь на двух линиях. При работе одной линии 358 дней в году на ней можно собрать 1140 тыс. телевизоров. Таким образом, две линии обладают значительным потенциалом для увеличения выпуска телевизоров до более чем 2 млн. шт.
Если же предусмотрен незначительный рост объема выпуска, можно установить две линии, работающие в более медлен-
ном темпе: с применением ГПС скорость линии поддается регулированию. В любом случае фактическая стоимость двух гибких сборочных линий будет меньше стоимости шести обычных. Если к тому же учесть значительное снижение на этих двух линиях количества обслуживающего персонала, то можно добиться резкого повышения производительности предприятия.
Этого нельзя достигнуть средствами жесткой автоматизации, потому что одна автоматическая линия не в состоянии справиться с потоком изделий различных типоразмеров без значительного увеличения и усложнения цикла сборки. Кроме того, для автоматической линии характерны частые остановки, ведущие к простоям оборудования, что недопустимо снижает ее экономическую эффективность. Почти наверняка можно считать, что для сборки всех производимых моделей понадобились бы три автоматические линии. Для сборки этих же моделей достаточно одной гибкой линии.
Разумеется, хотя в данном случае ГПС и включает сборку, одну из областей производства, наиболее трудно поддающихся внедрению ГПС, однако поскольку мы имеем дело с постоянно меняющейся рыночной конъюнктурой, зависящей от столь большого количества факторов, применение ГПС нужно рассматривать в более широком аспекте. Оно не ограничено механической обработкой и сборкой. ГПС можно использовать и в литейных цехах, например, в цехах литья под давлением, в кузнечно-прессовых цехах, при решении задач технического контроля, измерений и испытаний. Другими словами, столкнувшись с любым производственным процессом, руководители предприятия могут задать себе вопрос: ’’Каким образом можно применить для этого процесса ГПС с ее гибкостью и повышенным коэффициентом использования оборудования?”. Решение этих проблем будет рассмотрено в дальнейшем.
В настоящее время под ГПС многие руководители предприятий понимают гибкую систему механической обработки, что ошибочно по двум причинам. Во-первых, они ограничиваются лишь одним направлением развития, даже если имеется несколько других многообещающих или более подходящих процессов безотходной технологии. Суть в том, что полученная при резании стружка — это концентрат потерянной энергии, которая была затрачена вначале на производство металла, затем на его резание и в дальнейшем на вторичную переработку отходов. Таким образом, хотя энтузиасты гибких систем механической обработки склонны изготовлять все из прутка или листа, предпочтительнее было бы использовать ГПС для точной объемной штамповки и ковки или литья, либо для сборки изделий.
Такие процессы обработки без снятия стружки, как холодная объемная штамповка и ковка, а также глубокая вытяжка за последнее десятилетие достигли огромных успехов и именно их следовало бы использовать для изготовления многих деталей. Разумеется, отсюда следует, что и эти процессы также нужно приспособить для ГПС. Однако при разработке производственной стратегии очень важно, чтобы руководители производств учитывали основные тенденции, существующие при обработке металлов давлением.
Большинство ГПС для механической обработки создается станкостроительными фирмами и это в отношении к ним служит причиной некоторой осторожности со стороны других предприятий. По мере распространения высокопроизводительных станков с ЧПУ типа CNC для осуществления определенного объема механической обработки станков требуется меньше, чем прежде. Проблемы станкостроения осложняются из-за конкуренции с фирмами, выпускающими оборудование для холодной листовой и объемной штамповки, переработки пластмасс и точного литья. Поэтому очевидно, что у станкостроителе! достаточно причин для широкого распространения ГПС. Важно, чтобы концепция ГПС была усвоена и приспособлена для любой области современной технологии обработки давлением, резания или литья, а не была ограничена лишь механической обработкой.
Второй причиной, по которой не следует отождествлять понятие ГПС с механической обработкой, является то,что концепция ГПС применима и для многих других технологических процессов, поэтому разработка подлинных ГПС возможна лишь путем объединения всех этих процессов.
Можно начать, например, с получения поковок на гибкой ковочной машине, а заготовок из листового металла на фасонно-гибочном станке, оснащенном ЧПУ типа CNC, а затем, подвергнув эти заготовки гибкой механической обработке и сварке, осуществить их автоматизированную сборку и контроль. Это была бы мечта, которую могли бы осуществить лишь немногие фирмы.
Однако элементы такой концепции можно было бы объединить в других подсистемах, создав в результате ГПС, обладающую значительно большей эффективностью, чем крупная система механической обработки, выполненная на базе самых больших и наисовременнейших многоцелевых станков, но включающая множество ручных операций. Фактически, общими элементами ГПС являются агрегаты с индивидуальным управлением от ЭВМ и автоматизированные транспортноскладские системы. В большинство ГПС входят склады с системой автоматического складирования и поиска изделий.
Из того факта, что управление от ЭВМ играет очень важ-
ную роль во всех ГПС, кроме самых малых, следуют и другие выводы. Хотя в дальнейшем появится возможность покупать многие ГПС комплектно, каждой фирме почти наверняка многое в системах придется разрабатывать собственными силами. Во всяком случае, на определенном этапе создания ГПС любой фирме необходимо систему управления стыковать с системой закупок и оперативного планирования, поэтому уже на самом раннем этапе нужно осознать все сложности программного обеспечения. Кроме того, вероятно, на некоторых этапах появится необходимость в моделировании с помощью ЭВМ. В целом это означает, что перед установкой ГПС нужно организовать (или обучить) группу специалистов, занятых отработкой программного обеспечения.
Поскольку увлечение ГПС, которое приняло всеобщий характер, в дальнейшем коренным образом изменит структуру промышленности, делать из этого выводы и готовиться к таким изменениям нужно уже сейчас. Во-первых, размеры существующих ныне машиностроительных предприятий сократятся на 50...75 %. Площади под конторы и склады, возможно, изменятся незначительно, но, по-видимому, легче построить новое предприятие и продать старое вместе с земельным участком, на котором оно расположено, чем пытаться продать часть предприятия, ставшую ненужной в результате установки ГПС.
Во-вторых, внедрение ГПС означает снижение количества обслуживающего персонала, ведущее к занятости очень малого числа операторов непосредственно в производстве, например, на обслуживании ставкой и на сборке. Вполне возможно, что количество рабочих, занятых непосредственно в производстве, может снизиться до 10 % от их нынешнего числа. Маловероятно, что потребуется более 30 % от имеющегося в настоящее время количества рабочей силы.
В то же время, хотя увеличится количество специалистов, требующихся для обеспечения эксплуатации предприятия, систем управления от ЭВМ и разработки программного обеспечения, едва ли оно окажет какое-либо реальное воздействие на общее число занятых в производстве. Безусловно, ожидают, что повышение производительности приведет к снижению розничных цен на предметы потребления, что, в свою очередь, вызовет в мире резкое повышение спроса. И все же от сокращения количества рабочей силы не пострадают лишь наиболее динамичные и эффективно работающие фирмы.
Разумеется, по мере уменьшения количества рабочей силы возрастает необходимость в повышении ее квалификации. Основными областями применения квалифицированной рабочей силы станут программирование и управление ЭВМ, эксплуатация и обслуживание технологической (инструмент и зажим- 24
ные приспособления) оснастки. Несомненно, при установке ГПС с целью получения от нее максимального эффекта независимо от области применения — в цехе мелкосерийного производства или при сборке больших партий разных вариантов и модификаций — в наибольшем выигрыше окажутся те фирмы, которые используют все свои возможности для поддержания на минимальном уровне объема капиталовложений и установят ГПС, эффективные в отношении управления, обслуживания и, разумеется, гибкости при переналадке.
Однако изменения в структуре рабочего времени будут замедлять развитие других изменений. Длительность рабочей недели составит, возможно, три дня или два дня и ночь, но тем не менее рабочая неделя должна быть короче нынешней и, безусловно, будет.
Некоторым придется, например, работать в неудобные для них часы. В конце концов, если предприятию придется функционировать 358 дней в году, кому-то нужно будет работать и ночью, и в праздничные дни. Но поскольку количество обслуживающего персонала будет незначительно, то в год каждый оператор должен будет отработать всего лишь несколько ночных смен, а продолжительность его рабочего времени за год будет короче, чем в настоящее время.
Все это означает, что наступление эпохи ГПС принесет нам немало проблем, в том числе обеспечения наиболее эффективного использования ГПС в любой отрасли промышленности и их приемлемости с точки зрения социальных аспектов, переподготовки кадров, причем эту переподготовку следует начинать с момента принятия программы внедрения ГПС.
Если считать, что идея создания ГПС со своим появлением несколько запоздала, то перечисленные выше проблемы будут множиться. И все-таки ГПС — это перспектива, притом такая, осуществление которой вознаградит людей предприимчивых, с богатым воображением, а также тех, кто подготовлен к принятию всей производственной системы и влияния, оказываемого ею на их фирму и общество в целом.
ГЛАВА 2. О ГИБКОСТИ ГПС
Парадоксально то, что гибкость ГПС фактически не очень велика. Существуют различные ограничения, накладываемые недостаточными возможностями датчиков, ненадежностью сложных манипуляторов, а также необходимостью выдерживания в определенных рамках капитальных затрат.
Одним из уроков, которые уже сейчас следует усвоить при установке ГПС, является необходимость жесткой дисциплины в планировании, поскольку требуется тесная связь между
конструкторскими, технологическими и производственными отделами предприятий. Более того, эффективное календарное планирование представляет собой весьма важную предпосылку успешного внедрения ГПС. Персонал, занятый их эксплуатацией, необходимо обучать управлению производством при постоянном соблюдении дисциплины. Если между конструкторами, технологами и администрацией, занятой закупкой оборудования, не будет такой связи, то установленная ГПС вряд ли обеспечит максимальную отдачу. Одна из причин этого заключается в том, что теперь для гибкой работы оборудования с минимальным количеством инструментов при его конструировании требуется значительно более высокая, чем раньше, степень стандартизации.
Возможно, это может показаться противоречащим всей концепции ГПС, однако никакого противоречия здесь нет. Большинство фирм оперируют с системами стандартов, но поскольку детали машин изготовляются на жестко автоматизированном оборудовании, требования каждого пункта этих стандартов редко выполняют на всем предприятии. Нужно признать, что проверка и перепроверка стандартов — довольно утомительное занятие. Но с помощью системы, управляемой от ЭВМ и обеспечивающей инвентаризацию инструментов, используемых и требуемых для выполнения работ, состыковаться с ГПС в отношении стандартизации значительно проще.
До начала разработки ГПС необходимо пересмотреть стандарты на материалы, крепежные изделия, обработку поверхностей, фаски, допуски и т.д. Для многих операций специальные фасонные инструменты прежде требовались чаще, потому что конструктор отдавал предпочтение форме, а не назначению изделия.
Когда на фирме ’’Ямадзаки” разрабатывали вторую ГПС — линию коробок передач, номенклатуру изделий, намечавшихся для производства на этой линии, разложили на бейсбольной площадке для изучения всеми инженерами, участвовавшими в этом проекте. Результатом такого мероприятия и последующего проектирования с его учетом явилось сокращение с 600 до 63 инструментов, требуемых для линии. Для гибкой сборки аналогичный подход кажется необходимым почти всегда. В этом случае всю конструкцию оценивают заново. Одни узлы при переделке получают модульное исполнение (блочную конструкцию) , другие подвергают минимальным изменениям с тем, чтобы их было легче устанавливать по месту.
Отсюда следует, что проще устанавливать ГПС и добиваться ее эффективности на предприятии, изготовляющем детали для сборки собственных изделий. Значительно более сложные проблемы возникают при установке ГПС в цехах индивидуального и мелкосерийного производства или в прессовых
цехах.Одним из решений этих проблем является проведение до начала разработки ГПС инвентаризации деталей, обрабатываемых в цехе в течение некоторого времени, другим установка для начала небольшого гибкого производственного модуля и расширение его по мере приобретения опыта до уровня ГПС.
Гибкость и ГПС — понятия одного порядка. Конечной целью мог бы, по-видимому, стать такой завод, работающий в режиме безлюдной технологии, управляющий которым имел бы возможность заявить: ’’Скажите мне, какое изделие Вам нужно сделать и я сделаю его”, при этом абсолютно независимо от конфигурации изделия, является ли оно отливкой или поковкой, требует ли механической обработки, сварки или сборки. Разумеется, ГПС в механическом цехе могла бы обеспечить обработку только тех деталей, длина которых не превышает длину станины станка, на котором они устанавливались для обработки. Это существенное ограничение области применения ГПС.
Большая гибкость в настоящее время остается мечтой, которую можно приблизить к реальности путем решительных действий и усовершенствований. Каждая ГПС ограничена определенными технологическими рамками. Так, первые системы были предназначены только для обработки лезвийным режущим инструментом без шлифования. Теперь в некоторые ГПС входят кругло шлифовальные станки с ЧПУ типа CNC, однако плоскошлифовальные все еще требуют ручного обслуживания. Наконец, серьезные трудности встречаются при встраивании в ГПС позиций термообработки, нанесения покрытий и постов сварки.
Обычно для непрерывного обслуживания гибкой сборочной линии не практикуют включение машин для литья под давлением или прессов. Эти агрегаты не обладают достаточной гибкостью, поэтому их встраивают лишь в автоматические сборочные линии с жестким циклом. ГПС для механической обработки также не оснащают термообрабатывающими агрегатами и сварочными установками. Поэтому нерационально сваривать между собой две детали на позиции со сменой спутников, расположенной рядом со станком. К тому же, при гибкой сборке возможности захватывающих и подающих устройств ограничены количеством деталей, которыми они могут манипулировать. Обычно детали должны иметь сходные размеры и конфигурацию. Постепенно гибкость захватывающих устройств повышается, но вопросы о том, какой все-таки требуется уровень гибкости и насколько он необходим практически, должен тщательно рассматриваться руководителями производства. Время, требуемое для смены захватывающих
* А***
Рис. 2.1. Набор захватывающих устройств — схватов, предназначенныхдля одного робота
устройств — схватов (рис. 2.1), существенное и создает в сборочных ГПС определенные проблемы.
В настоящее время большинство ГПС образуют только часть производственной системы и поэтому очень важно, чтобы не включенные в ГПС технологические процессы не смогли превратиться в узкое место производства. Не может быть ничего более бесполезного, чем ГПС, предназначенная для работы 24 ч в сутки, а из-за отсутствия заготовок или инструментов работающая лишь половину этого времени.
При механической обработке, транспортировании, загрузке-разгрузке и складировании одним из основных ограничений являются размеры заготовок. В самом деле, если стол станка предназначен для установки заготовок с размерами 500Х 500Х 400 мм, то на нем нельзя обработать заготовки больших размеров. В одном случае после установки ГПС из конструкторского отдела не сообщили в технологический об увеличении размеров самой крупной детали. В результате некоторые заготовки нельзя было установить на станок, поэтому не все их можно было обработать в условиях ГПС, которая превратилась таким образом в экономически неэффективную.
На первый взгляд решением проблемы могла бы стать установка станков больших типоразмеров, что увеличит требуемые капиталовложения. В то же время это означает и недогрузку станков, что скорее всего повышает их надежность. В ГПС для механической обработки будет входить множество станков различных типоразмеров. Их загрузку следует обеспечивать, не допуская создания очереди деталей на обработку. Безусловно, эта проблема существует в любом цехе.
Робокары обладают при транспортировании намного
большей, чем конвейеры, гибкостью в отношении размеров и формы транспортируемых грузов. Безусловно, у каждого робокара своя грузоподъемность и в одном цехе могут применять робокары грузоподъемностью 300 кг, 1 т и 3 т, при этом робокары большей грузоподъемности всегда можно использовать для транспортирования нескольких небольших деталей.
При складировании также можно обойти размерные ограничения путем использования складских ячеек более крупных размеров и хранения в каждой ячейке нескольких спутников.
ГПС обладают исключительно высокой гибкостью, когда речь идет о размерах партии, и это должна учитывать каждая фирма, занятая преимущественно выпуском изделий небольшими партиями. При механической обработке практически эффективно величина партии в одну деталь, поскольку станок с ЧПУ типа CNC можно тут же переналадить на изготовление новой детали. Однако здесь проблема состоит в том, что все детали на этом станке нужно обрабатывать одним и тем же комплектом инструментов.
Проблемы перехода с обработки одной детали на обработку другой легко решаются при использовании многоместных накопителей спутников в устройствах их автоматической смены.
В токарных станках револьверные головки оснащены сравнительно меньшим количеством инструментов, поэтому токарную обработку обычно рекомендуют проводить партиями. Хотя в револьверных головках и начинают постепенно применять устройства смены инструментов, необходимость в большом количестве инструментов остается при токарной обработке меньше!, чем при обработке на многоцелевых станках.
Сборка очень малых партий экономически неэффективна. Самым быстрым способом перехода со сборки одной партии изделий на сборку другой является пропускание по сборочной линии фальш-спутника, на прохождение которого реагируют станки. Теряется один цикл сборки, поэтому такой метод не следует использовать слишком часто. Разумеется, при необходимости смены захватов времени теряется больше. Здесь ограничительным фактором служит система подачи деталей.
Детали на сборку поступают обычно из чашеобразных вибробункеров или магазинов, поэтому для перехода со сборки одной детали на сборку другой приходится заполнять устройства подачи деталей другими деталями, что требует времени и технологической переподготовки. В некоторых случаях рационально устанавливать резервные устройства для подачи деталей и переходить с подачи на сборочную линию одной детали на подачу другой обычным поворотом переключателя. Однако на практике трудности с подачей деталей (их
габаритные размеры) и ограниченные возможности захватывающих устройств являются главными факторами, затрудняющими повышение гибкости сборочных систем.
В прессовых цехах размеры партии значительно выше, чем в других, и составляют примерно 500...2000 деталей. Абсолютно гибкая система прессов пока еще практически неосуществима, но такие элементы гибкости, как ускоренная смена штампов и подача пакетов листового материала на спутниках, уже существуют. Хотя штампы можно поменять за несколько минут, такую систему трудно назвать гибкой. Однако в дальнейшем она станет таковой. Факторами, ограничивающими гибкость прессов при вырубке и гибке, являются в основном загрузка-разгрузка и транспортирование, а также подготовка заготовок.
Таким образом, гибкость является относительным понятием, характеризующим возможности ГПС в сравнении с возможностями других производственных систем. Важно, чтобы технологи приучали учитывать этот факт свое административное и техническое руководство, поскольку оно должно понимать суть понятия ’’гибкость”, а не то, что оно означает буквально.
Тем не менее, хотя в большинстве случаев ГПС не обеспечивают возможности обработки партий очень малых размеров, они позволяют фирме при небольших затратах переходить с выпуска изделий устаревшей конструкции на производстве новых изделий и быстрее, чем раньше, реагировать на изменения рыночной конъюнктуры. Однако ситуация в этой области развивается динамично и ГПС, которая сегодня кажется в отношении гибкости последним словом техники, через несколько лет столь гибкой уже казаться не будет.
В особенности это относилось к сборке, где видеодатчики сделают роботы намного более гибкими в отношении номенклатуры собираемых ими деталей. Практически реальной станет подача к роботу нескольких деталей и выбор им только той, которая требуется для сборки. В механической обработке повысило гибкость внедрение токарного обрабатывающего центра с возможностью выполнения фрезерных операций. Для ковки также разработана установка, работающая по безлюдной технологии. На этой установке стандартным набором инструментов можно изготовлять серию деталей, подвергаемых высадке, обжимке и гибке колен (табл. 2.1).
И все же ГПС не является универсальным решением всех производственных проблем, а в некоторых областях ее применение вообще не целесообразно. К таким областям относятся перерабатывающие отрасли промышленности, где использование ЭВМ для улучшения контроля параметров стало таким же привычным, каким это хотелось бы видеть в ГПС. Не яв-
Применимость различных технологических процессови операций в ГПС
Технологический процесс или операция
Примерный объем партии, шт
Примерное время цикла
Применимость в ГПС
Механическая обработка
1-1000
1—20 ч
Полная
лезвийным инструментом
> 1
20—
100 ч
Полная, но с возможным возникновением проблем при загрузке-разгрузке и транспортировании
Св.1000
1—
10 мин
Достаточная при наличии хорошей системы загрузки- разгрузки и транспортирования и широкой номенклатуры
Св.1000
0,3-
1 МИИ
Недостаточная: обычно более применимо сочетание жесткой автоматизации и некоторой гибкости
Круглое шлифование
1—1000
—
Полная
Плоское шлифование
1-1000
—
Достаточная
Прессование
Св.2000
Любое
Гибкость — важнейший фактор, но создание ГПС в полном объеме затруднено из-за сложности получения достаточной экономической эффективности
До 2000
Существуют некоторые возможности
Вырубка и фальцовка
До 10000
Любое
Полная
Сварка
Любой
Менее 2 мии
Гибкость важна, но для ее осуществления требуется дорогостоящая жестко автоматизированная инструментальная оснастка
До 1000
Полная, но требуется совершенное оборудование для загрузочно-разгрузочных и транспортных операций
Продолжение табл. 2.1
Технологический процесс или операция
Примерный объем партии, шт
Примерное время цикла
Применимость в ГПС
Литье металлов под давлением
До 1000
Требуется новый подход, однако существуют большие потенциальные возможности
Литье в песчаные формы
До 1000
—
Существуют некоторые потенциаль- ные возможности
Ковка и объемная штамповка
До 1000
Св.1000
—
Гибкаяковка
применяется на практике
Существуют сложные проблемы, но имеются неплохие потенциальные возможности
Холодная штамповка
—
—
Хорошая
Сборка
1-1000
Св.1000
Св.10000
Св.
3 мин
20 с —
3 мин
3—20 с
Полная
Полная (но с частичным применением специального оборудования)
Большие потенциальные возможности при использовании некоторого специального оборудования
Св.10000
Менее 3 с
Неприменима
Контрольно-измерительные операции
Полная: возможны короткие циклы с помощью простых операций
ляется ГПС решением и в том случае, если объемы выпуска очень велики, а номенклатура мала. Объем выпуска многих небольших радиоэлектронных компонентов, например, резисторов, конденсаторов, реле и даже более сложных узлов, таких, как механизмы кварцевых часов, достигает нескольких миллионов штук в год. Их лучше собирать посредством жесткой автоматизации, поскольку, во-первых, гибкая автоматизация не обеспечит требуемой скорости сборки , а во-вторых, она дороже.
Если время цикла при сборке не превышает 2 с, то, по-ви- димому, реальной гибкости добиться невозможно. В этом случае, скорее всего, более предпочтительна жесткая автоматизация с чередующимися позициями дня учета вариантов со- 32
бираемых деталей. Однако некоторые элементы ГПС, например, сменные инструменты и универсальные устройства подачи деталей, используемые при замене изделий, а также управление от ЭВМ неизбежны и здесь.
Для громадного диапазона изделий — телевизоров, радиоприемников, автомобилей, газонокосилок, станков и паровых турбин ГПС представляет собой решение многих проблем. Безусловно, ГПС, предназначенные дня обработки широкой номенклатуры изделий в различных отраслях, будут выполнены во множестве вариантов, поскольку в этих отраслях по- разному выражается концепция гибкости и высокой производительности. В конце концов, основным вопросом можно считать не столько ’’Подходят ли ГПС для нашего предприятия?”, сколько ’Тотовы ли мы к внедрению ГПС?” Для использования в ГПС имеется современное оборудование и программное обеспечение, но еще до их применения нужно наладить дисциплину производства. Техническая унификация, рационализация инструментального хозяйства и эффективное управление производством — все это безусловно необходимо и, вопреки мнению многих ученых, не делает ГПС неприемлемыми для небольших фирм.
ГЛАВА 3. СТАНКИ С ЧПУ ТИПА CNC -ОСНОВНОЙ КОМПОНЕНТ ГПС
Известно, что управляемые от ЭВМ станки являются блоками или агрегатами, из которых составляют ГПС. Однако в этом случае речь идет не о комплексных вычислительных системах, обслуживаемых специалистами, а о придаваемых непосредственно этим станкам сравнительно маломощных мик- роЭВМ. Первоначально зто были станки, оснащавшиеся устройствами ЧПУ типа CNC. Благодаря им ГПС стали практической реальностью. В самом деле, комбинируя станки с ЧПУ типа CNC, можно получить управляемую обрабатывающую систему. Для создания же ГПС понадобилось большое количество вспомогательного оборудования, например, систем автоматической смены инструментов и заготовок, а также немало следящих и управляющих устройств.
Основной характеристикой любого станка с ЧПУ типа CNC является возможность выполнения на нем без вмешательства оператора нескольких различных операций в определенной последовательности. Кроме того, часть операций механической обработки может быть введена в память управляющего устройства. Таким образом, для запуска определенной после-
довательности или программы обработки оператору требуется лишь вызвать из памяти наименование или номер управляющей программы, в результате чего может быть обработана серия различных заготовок без перерыва на переналадку станка или установку новых инструментов. Разумеется, команда на срабатывание управляющей программы может поступить и от центральной ЭВМ, управляющей работой всего цеха. Однако характеристики устройств ЧПУ типа CNC, делающие их основой ГПС, могут быть предусмотрены также и для других агрегатов. Так, управляющее устройство робота — это практически то же устройство ЧПУ типа CNC.
В некоторых обрабатывающих системах управление несколькими станками от с ЧПУ типа CNC в течение ряда лет осуществлялось непосредственно от мини-ЭВМ. Такие системы получили название системы DNC (Direct Numerical Control — системы группового (централизованного) управления от ЭВМ).
От ГПС они обычно отличаются наличием вспомогательных устройств. Инструменты, уложенные на спутники, например, могут транспортироваться конвейерами, по которым подаются заготовки, и устанавливаться на станок вручную. Вручную обычно устанавливают и заготовки. Нередко системы DNC используют для изготовления небольшого количества типоразмеров деталей одного семейства, например, валов или осей.
Хотя может показаться, что именно системы DNC являются правильным названием для ГПС механической обработки, это не совсем так. Системы DNC не обладают столь широкими возможностями, как ГПС, поскольку в них не заложен в обязательном порядке потенциал для безлюдной технологии. Под ГПС понимают систему обработки с потенциальной возможностью работы без обслуживающего персонала как минимум в течение смены, а система DNC представляет собой лишь этап на пути к ГПС.
В основном существует два типа станков с ЧПУ типа CNC: токарные и многоцелевые, хотя недавно был создан новый тип станков — токарные обрабатывающие центры с возможностью выполнения как токарных, так и фрезерных операций. Все станки имеют аналогичные устройства управления. В типовом токарном станке с ЧПУ типа CNC станину выполняют наклонной и устанавливают на ней одну или две револьверные головки с инструментами. Обычно эти инструменты применяют для наружного обтачивания, сверления, предварительного и чистового растачивания отверстий. Недавно эти же принципы (применение многоинструментальных головок) были использованы для создания круглошлифовальных станков с автоматической загрузкой-разгрузкой и крупных плоскошлифовальных станков.
Скорости перемещения инструментов к шпинделю и шпиндельной бабке на токарных станках могут регулироваться. Возможно также бесступенчатое регулирование частот вращения шпинделя, обычно в дипазоне 60...3500 об/мин. Разумеется, каждый инструмент может быть задействован в любой тре- буемьш момент — все эти функции автоматически контролируются в соответствии с управляющей программой, введенной в станок.
Следовательно, токарный станок с ЧПУ типа CNC может быть использован для выполнения всех тех работ, которые ранее требовали применения токарно-револьверных или копировально-токарных станков и даже прутковых автоматов. Например, вал-шестерня длиной 150 мм с семью ступенями различных диаметров (до 55 мм) может быть обточен на таком станке за 100 с, а расточку в гильзе диаметром 80мм и длиной 100 мм пяти отверстий различного размера вместе с нарезкой в них резьбы можно выполнить за 168 с. Очевидно, при подготовленной управляющей программе время на наладку станка пренебрежимо мало, но работа в режиме безлюдной технологии при таких коротких циклах обработки безусловно требует введения автоматизации загрузки-разгрузки изделий и компенсации износа инструмента.
Поскольку для многоцелевых станков характерны преимущественно крупногабаритные заготовки с длительным циклом обработки, проблемы загрузки-разгрузки и транспортирования решаются здесь значительно легче. Существует два типа многоцелевых станков: с вертикальной и с горизонтальной компоновкой, хотя в состав ГПС включают также и очень крупные двухстоечные фрезерные станки с ЧПУ типа CNC. В ГПС используют преимущественно многоцелевые станки с горизонтальной компоновкой, обладающие большей гибкостью и удобством удаления стружки: она свободно падает с заготовки,
У станков с горизонтальной компоновкой стол с установленной на нем заготовкой может перемещаться по горизонтали в двух плоскостях по осям X и У, а также имеет делительный поворот. Шпиндель обладает возможностью перемещения в вертикальном направлении. Таким образом, заготовку между переходами можно последовательно поворачивать на угол 90° так, чтобы четыре ее плоскости могли быть обработаны за один установ. Некоторые станки оснащают либо угловыми шпиндельными головками либо (как у станков фирмы ’’Манделли”) шпиндельными головками специальной конструкции, позволяющей обрабатывать верхнюю плоскость.
У станков с вертикальной компоновкой перемещение стола может быть осуществлено в горизонтальной плоскости по координатным осям X и У, а шпиндель может иметь переме- 2* 35
щение в вертикальном ваиоанлении. ' ид • и кч. nowi заготовок на этих строках. как правило, йанлишк г аОи при высоте 401;i я сганни н’аяяская)iхна
чительно больших и зшгаитепню меиьд^х ^ым-люв,
Как на токарных, так и на многоцелевых станках рабо чие скорости шпинделя и с гола могут регулпрова г„ск беесту- пенчато. Для обеспечения выполнения на них Фрезерных, сверлильных, расточных и резьбонаоезнь."' олегхапай требуется много различных инструментов. псэтсиг; сбоку от многоцелевого станка устанавливают инструмет:гдльньш магазин на 20...60 инструментов. Чтог магазин круглое или прямо угольной формы имеет возможность де.;-цельного вращения с тем, чтобы инструмент, необходимым .зля следующей операции, мог заранее переместиться на загрезочную позицию. Устройство, обеспечивающее это перемещение, и; -ынаю! устропшвом автоматической смены инстрямеч юв. А'сжду ваг*-уточной по. зицией этого устроисна и шпинделем станка чзхс- имея захватывающее устройство, в задаст7 юзториг; --х■ - । взять инструмент в зажимном патроне шпинделя ц .ощлыи иногда яте продолжает вращаться), вывести иго от ту ю и ’’сгагюнит;. к инструментальный магазин. После этого захват ытлюыее гсгиой- ство забирает из магазина новый инструмент -г ншцю его в шпиндель станка (рис. 3.1) .
Каким же образом у-'трой'-: вл ЧПУ едщюо: возможными все эти сложные манипуляции? 1герры" па? а шагом в этом направлении было внедрение сервощзл » t . справляемых так, что их выходные валы могут вр * ■ < с любой скоростью. Вначале ла станках, оснащав шпщ а ойшвами ЧПУ типа и\С, устанавливали только с-'ршц.чш а,, а постоянного тока, но постепенно они были вытеснен!. ..щ.;,рщ|цнгелн- ми переменного жка, обладающими мена 4.-нами и
Не ИМеЮЩИМИ ЭН л'о;;ЩШЦ!Вено
тому ipt-буюш.,д.дьш д о и/цди
мощью шаговых олектрогши: мегей хкоющ щллне.двлятъ де- лительный погглю" и-с-тия анх-ди
нов станков, приче:... онгдчие гю mv-xtх.ahiti ;п,1Х
устройств, эти ачскзродвигатс.н!Практичес
ки любые интервалы челитольшд-о пончгю-;.
Позже, с 1ЮМО1Щ.Ю- электронных уп]>авлн!с,цих усрюйств (конгроллеров) cia.xo но смежным задать определенисю последовательность операций мехаяичлекой оо'рабопси и выполнить эту последовагельность ав (оматичееки. В at-овых ГПС эти программы набив.пись h.i нерфиленi.ax t; into гились в устройство ЧПУ пер(>;г каж. !.ои . шерапиеи и. <; ых хил - (>л<-раций. Пре- пяюгвием к 1иирокос>у распространению плоше 1Ю(;(ролент пос- лужила иео^холимпси. ;дя лпоглахг’лисю щ>ре,-;о ш/ь клмаг;.
Рис. 3.1. Многоцелевой станок, оснащенный устройствами, позволяющими использовать его как простейший гибкий производственный модуль с ограниченным вмешательством обслуживающего персонала ды по обработке в набиваемый на перфоленте код, что требовала много времени.
Затем по мере удешевления микроэлектронных устройств появилась возможность гораздо более быстрой, чем прежде, подготовки управляющих программ. Кроме того, стало практически возможным вводить эти программы в память управляющего устройства станка с произвольной выборкой. Поскольку при отключении питания эта память стирается, возникла необходимость в сохранении записанной в ней информации. Это может быть выполнено с помощью гибких магнитных дисков, магнитных лент или памяти на цилиндрических доменах (ЦМД). Именно память на ЦМД наилучшим образом подходит для эксплуатации в цеховых условиях. Она компактна, фактически невосприимчива к воздействию масла, смазочно-охлаждающей жидкости и пыли. Кроме того, содержимое памяти не стирается при отключении питания. Кассета с этой памятью легко переносится, а ее содержимое при необходимости можно стереть и перезаписать.
Большой объем памяти необходим для обеспечения возможности хранения многих управляющих программ, в том
числе сложных. Одновременно в некоторых устройствах ЧПУ имеется переключатель для перехода с 8-разрядного микропроцессора на 16-разрядный. Иногда применяют два 16-разрядных микропроцессора. Используемые микропроцессоры частично предназначены для повышения точности и скорости обработки данных и упрощения ввода сложных управляющих программ. В наиболее современных системах управления дискретность управляющего импульса равна 1 мкм, поэтому дискретность перемещения инструмента также может теоретически составить 1 мкм. К тому же в устройствах ЧПУ, оснащенных 16-разрядными микропроцессорами, стали практически возможными очень высокие скорости подачи, сокращающие вспомогательное время.
Если обычный 8-разрядный микропроцессор может выполнять адресацию только к 64К байт памяти, то 16-разрядный — более чем к одному миллиону байт. Для систем управления необходим большой массив памяти, поскольку ее всегда недостает для операций механической обработки. Поскольку объем памяти запоминающих устройств неуклонно возрастает, а их стоимость снижается, ограничения по памяти в дальнейшем будут ликвидрованы, что позволит оператору гораздо проще управлять станком.
В этой области уже сделаны значительные усовершенствования. Так, объем памяти устройства ЧПУ модели Yasnac-MXl фирмы ’’Яскава” эквивалентен информации, которая может быть записана на 1280 м перфоленты и с помощью памяти на ЦМД может быть увеличен на 320 м в расчете на одну кассету. В кассетах памяти на ЦМД устройств управления фирмы ’’Фанук” могут храниться данные, эквивалентные информации, записанной на ленте длиной до 650 м. Важным мероприятием по уменьшению размеров и стоимости внутренней памяти явилось недавнее внедрение микросхем запоминающих устройств (ЗУ) емкостью 256К бит. Каждый такой кристалл может содержать объем информации в 4 раза больше, чем ранее применявшиеся микросхемы на 64Кбит.
Преимуществом большинства новых станков с ЧПУ типа CNC является использование большого объема памяти с целью введения стандартных управляющих программ для выполнения таких операций, как, например, глубокое сверление, выполняемое поэтапно с периодическим выводом сверла для очистки отверстия от стружки, или сверление большого количества отверстий по размерной схеме, а также фрезерование в определенном количестве зон.
В новом устройстве ЧПУ модели OSP3000M фирмы ’’Окума” предусмотрен комплект управляющих программ, обеспечивающий ликвидацию утомительного процесса программирования, требующегося для сверления отверстий в ряд, по дуге 38
или по окружности. Кроме того, имеются программы для фрезерования плоскостей, карманов или цилиндрических поверхностей. Устройство быстрого программирования модели System Р фирмы ’’Фанук” предназначено для ускоренного изготовления лент вне станка и снабжено стандартными кассетами с управляющими программами для токарной обработки, фрезерования, резки и вырубки.
Все эти устройства ЧПУ предназначались для сокращения времени программирования. Однако фирма ’’Ямадзаки”, стремясь полностью использовать потенциал программного обеспечения, сделала дальнейшие шаги в его разработке. В устройствах ЧПУ серии Mazatrol моделей Т1 и Ml, созданных на основе управляющих устройств фирмы ’’Мицубиси”, оператор получает возможность контроля за последовательностью выполнения операций с помощью графического дисплея. Таким образом, он выбирает материал заготовки, модель обработки, тип режущего инструмента, глубину резания, качество поверхности и т.д. По мере выполнения оператором вышеуказанных операций выбора на экране дисплея постепенно возникает форма обрабатываемой детали.
Оператор может видеть деталь спереди или в перспективе и при необходимости резко увеличивать изображение ее критических участков. По мере составления управляющей программы оператором на дисплее высвечиваются вопросы, ведущие его в логической последовательности по этой программе. Таким образом, оператор, прочитав чертеж, сможет составить управляющую программу. По заявлению специалистов фирмы ’’Ямадзаки”, для обучения пользованием устройством ЧПУ серии Mazatrol моделей Т1 и Ml достаточно 15 мин. Возможно, это преувеличение, но тем не менее простота эксплуатации этой системы ЧПУ очевидна. Со временем такие системы будут состыкованы с терминалами САПР-АСТПП, что позволит сравнить поступившую деталь со стандартными и составить новую управляющую программу с максимально возможным учетом существующей практики и наличных инструментов.
Поскольку станки с ЧПУ типа CNC используют как индивидуально, так и в составе ГПС, каждая фирма разработала собственное программное обеспечение. Аналогичная ситуация создалась и с роботами. Это было сделано для разработки языков высокого уровня с тем, чтобы от оператора не требовалось понимания принципов ЭВМ. Вычислительные операции должен делать станок. Например, для получения комплекта команд на продольное обтачивание детали до диаметра 34,4 мм оператору достаточно нажать всего лишь несколько клавиш с соответствующими цифрами.
Для ГПС с полным управлением от ЭВМ, возможно, более
рациональной будет разработка универсального языка, применимого при управлении всеми ее составляющими — станками с ЧПУ типа CNC, роботами, робокарами и автоматизированными складами. Однако это не столь необходимо и практически может не обладать столькими преимуществами, сколькими обладает теоретически. Тем не менее это один из путей к некоторой стандартизации управления.
Важнее, чтобы станки с ЧПУ типа CNC и роботы для стыковки между собой и с управляющими ЭВМ имели стандартные интерфейсы. В настоящее время эта проблема еще далека от решения и всего лишь год-два назад для обеспечения стыковки с ЭВМ некоторых хорошо известных японских роботов пришлось по заказу изготовить специальные интерфейсы. В одних случаях фирма—изготовитель оборудования пытается заставить потребителя использовать ее собственные управляющие устройства, а в других она вообще проявляет полную некомпетентность. В любом случае заказчику оборудования для ГПС перед заключением контракта с его поставщиком нужно очень тщательно проработать эти вопросы.
Чтобы сделать станки с ЧПУ типа CNC приемлемыми для использования в ГПС, требуется разработка устройств для контроля износа инструментов и предупреждения об их поломках. Кроме того, большинство многоцелевых станков оснащают щупами различной конструкции, например, разработанными фирмой ’’Ренишо”. Эти щупы до начала цикла обработки вставляют в шпиндель станка и вводят в контакт с заготовкой для определения координат базовой поверхности или положения отверстий. Они обладают очень высокой чувствительностью и позволяют с большой точностью обеспечивать позиционирование заготовок. Поэтому такие щупы можно также применять для обнаружения износа инструмента и определения его поломки.
Управляет щупом устройство ЧПУ типа CNC станка, которое перемещает щуп в заданное положение, например, к внутренней поверхности только что обработанного отверстия. Фактически координаты точки контакта щупа с этой поверхностью посредством обратной связи передаются в ЧПУ типа CMC и там сравниваются с требуемыми. Затем до начала следующего цикла обработки производится коррекция. Для предотвращения появления брака аналогичные методы регулярного измерения размеров, полученных после обработки, могут быть использованы на всех станках, оснащенных устройствами ЧПУ типа CNC. Поскольку износ инструмента происходит постепенно, эти методы можно, разумеется, использовать также для построения модели износа и определения стойкости инструмента.
Гораздо большую важность представляет, однако, возмож-
ность мгновенного обнаружения поломки инструмента. Хотя для этой цели можно, как уже говорилось, использовать щуп или вводить инструмент в контрольную втулку, предназначенную для проверки инструмента на соответствие и содержащую конечные выключатели, фактически требуется более быстрая реакция: ведь посредством приведенных выше систем сообщается об уже поломанном инструменте, поэтому, как минимум, одна деталь будет почти наверняка бракованной. В результате в большинстве ГПС применяют мониторы состояния инструмента.
В многоцелевых и токарных станках ток, подаваемый на электродвигатель привода шпинделя, является базовой характеристикой. Его сила постоянно контролируется. По мере износа инструмента или в случае его поломки сила тока увеличивается. При поломке инструмента станок обычно останавливается и при необходимости может быть автоматически установлен новый инструмент. Разумеется, сила тока увеличится и при резании инструментом участка заготовки, на котором материал имеет повышенную сверх обычной твердость. Поэтому в некоторых системах измеряют осевую составляющую силы резания и если она увеличивается на 20 %, то снижают скорость подачи. Если и в этом случае осевая сила остается слишком большой, инструмент заменяют (рис. 3.2).
При использовании таких систем для регулирования износа работающего инструмента и замены сломанного безлюдная технология становится реальной возможностью. В нормальных условиях работы по такой технологии исключены брак и катастрофические повреждения оборудования, возникающие в результате поломки инструментов. Худшее, что может случиться, — это всего лишь остановка из-за отсутствия нужного инструмента.
Таким образом, преимущества ГПС, проявляющиеся в незначительных производственных расходах и экономии на стоимости рабочей силы, достигаются главным образом за счет двух основных факторов — безлюдной технологии и повышения производительности. Основными критериями обеспечения первого фактора служат применение систем определения поломок инструмента, котроля его стойкости, автоматическая коррекция нуля и отключение питания, наличие устройства автоматической смены спутников, счетчиков длительности работы станка и количества обработанных деталей. Второй фактор обеспечивается сокращением времени ’’резания воздуха”, автоматической коррекцией выставляемой длины инструмента, выбором координатной плоскости.
Поскольку многоцелевые станки оснащают обычно устройствами автоматической смены инструмента с инструментальными магазинами на 20—70 инструментов, эти магазины
Рис. 3.2. Модуль сложной конструкции, включающий многоцелевой станок, устройства автоматической смены инструментов и спутников, а также систему доставки спутников
можно подобрать таким обазом, что в них всегда достаточно запаса инструментов. Тем не менее, для обеспечения возможности обработки широкой номенклатуры изделий некоторые фирмы создали съемные барабанные инструментальные магазины с роботизированной загрузкой. Хотя в токарных станках револьверные головки оснащены, как правило, всего лишь восемью или 16 инструментами, в последнее время концепция съемной инструментальной оснастки была разработана и для них. Появлению такой концепции впервые в Западной Европе способствовали разработки фирм ’’Сандвик” (рис. 3.3), ’’Хертель” и ’’Крупп видиа”.
Ее суть заключается в том, что инструментальный магазин должен быть установлен рядом со станком, а инструменты в нем по мере необходимости должен менять робот. Безусловно, одной из предпосылок внедрения такой концепции является наличие средств измерения и компенсации износа инструмента, а также коррекции на изменение его размеров.
Фирма ’’Сандвик” создала свою инструментальную систему на базе неперетачиваемых режущих пластин, устанавливаемых в стандартных инструментальных корпусах. Для ее осуществления важно также точное позиционирование инструмента при его закреплении в требуемом положении. В инструментальной системе фирмы ’’Хертель” точность установки инструмента достигается путем применения мелкозубчатых муфт типа Hirth, а в системе фирмы ’’Сандвик” — с помощью тяг специального профиля.
Рис. 3.3. Токарный станок с ЧПУ типа CNC с блочными инструментами фирмы ’’Сандвик”, сокращающими вспомогательное время
Инструментальные магазины могут иметь различные формы. Фирмой ’’Хертель”, например, разработан компактный дисковый магазин на 12 инструментов, причем возможна установка нескольких магазинов друг на друга. В результате совокупная емкость инструментального магазина становится практически неограниченной, достигая, например, 60 или 96 инструментов. Поскольку для смены инструментов используют робот, количество комбинаций может быть любым в зависимости от области применения этого магазина. Например, при наличии в составе ГПС двух токарных станков загрузку- разгрузку обоих станков, а также смену инструментов на них можно производить одним роботом. В системе же из десяти станков, по-видимому, рациональнее создать центральный инструментальный склад, а для обслуживания применить перемещающийся робот. Независимо от исполнения — это один из способов сокращения вмешательства оператора.
Для превращения обрабатывающего модуля в ГПС с минимальным вмешательством обслуживающего персонала необходимы механические устройства загрузки-разгрузки и транспортирования. Поскольку детали, обрабатываемые на многоцелевых станках, обычно крупногабаритные и тяжелые, требуется какая-то форма смены и манипулирования спутниками. С этой целью станки оснащают либо многопозиционными накопителями спутников, либо устройствами их автоматической смены.
Простейшим устройством такого рода является поворотный стол, рассчитанный в зависимости от цикла обработки на 4—12 спутников. Спутники могут быть загружены вручную в начале смены. В результате станок, оснащенный шестью спутниками с циклом обработки на каждом 75 мин, может работать без обслуживающего персонала почти 8 ч. Настроив два или три станка на обработку крупногабаритных деталей, можно легко добиться их работы в течение целой смены без вмешательства обслуживающего персонала. Небольшие детали можно загружать и обрабатывать, например, в дневную смену, а крупногабаритные, требующие для обработки нескольких часов, оставлять на ночную.
В то же время при использовании многоместных накопителей спутников требуется и более сложная система управления. Ей должно быть известно, например, какая по счету деталь поступает на стол станка. Пока количество вариантов невелико, достаточно использовать конечные выключатели. При переходе на полное управление от ЭВМ целесообразнее применять оптические устройства, обеспечивающие считывание номера детали или распознавание ее формы.
Если цикл обработки довольно короток и не оправдывает применения отдельных спутников, которые не могут обеспечить достаточного запаса заготовок, используют двухпозиционные устройства автоматической смены спутников. Многие такие устройства устанавливают отдельно от станков, хотя и управляются от устройств ЧПУ типа CNC этих станков. Однако загрузка-разгрузка спутников на станок осуществляется быстрее и проще, если эти устройства выполнить встроенными в станок. Устройства автоматической смены спутников содержат обычно два спутника и могут перемещать их к столу и от стола станка, причем механизм привода фиксирует стол на одной прямой с соответствующей позицией устройства.
Одной из первых попыток создания ГПС была разработанная фирмой ’’Цинциннати Милакрон” производственная система ”Вэрайабл-мишн”. Она включала два многоцелевых станка горизонтальной компоновки и робокар, снабжавший не только установленными на спутниках заготовками, но и 12 инструментами, расположенными в инструментальной кассете. Инструменты захватывались из кассеты шпинделем станка, после чего устройство автоматической смены инструментов передавало их в инструментальный магазин. Это была удачная схема, но в связи с большой потерей машинного времени при загрузке инструментов в магазин ее успех был не совсем полным.
Фирма ”Керни-энд-Т рекер” также выпускала станки с многопозиционными накопителями спутников карусельного типа, предназначенные для эксплуатации по безлюдной технологии.
Рис. 3.4. Роботизированный технологический комплекс для обработки небольших деталей, созданный на базе токарного станка с ЧПУ типа CNC, оснащенного роботом и промежуточным накопителем карусельного типа
Такие станки, оснащенные восьмипозиционными накопителями, могли работать в ночную смену без вмешательства обслуживающего персонала, но только в том случае, если циклы обработки не были слишком короткими.
Поскольку токарные станки работают обычно с короткими циклами (от 30 с до 3 мин), для них необходимо предусмотреть роботизированное обслуживание и промежуточные накопители. Одной из первых начала выпускать соответствующее оборудование японская фирма ’’Фанук”, производящая устройства ЧПУ типа CNC и роботы. Роботы серии М этой фирмы, работавшие в цилиндрических координатах, были первыми отдельно стоящими агрегатами. Роботы моделей 1 и 3 имеют пять степеней подвижности, причем робот модели 1 может поворачиваться на своем основании на угол 300°. Вертикальное перемещение роботов составляет 500 мм, а выдвижение руки соответственно 500 или 800 мм. Грузоподъемность захватывающего устройства обычно достигает 10 кг (рис. 3.4).
Роботы для обслуживания токарных станков были с тех пор разработаны многими фирмами. Значительное их количество предназначалось для установки непосредственно перед станком. Типичными примерами отдельно стоящих роботов являются роботы фирм ZF (’’Цанрадфабрик Фридрихсхафен”) и ’’Юнимейшн” (Unimation). Монтируемые на станках роботы с перемещениями, специально предназначенными для загруз-
ки-разгрузки деталей, выпускают фирмы ’’Хитати”, ’’Окума”, ’’Ямадзаки” и др.
Альтернативным решением является система СРС, разработанная шведской фирмой SMT (”СМТ машин тулз”). Система включает установленную на портале руку, перемещающуюся по нему вдоль станка и свисающую с одного конца этого портала. Рука перемещается по вертикали и горизонтали таким образом, что может захватывать детали со спутников или с конвейера и производить на станке загрузочно-разгрузочные операции. Преимущества этой системы в ее дешевизне (она примерно вдвое дешевле отдельно стоящего робота) и большой грузоподъемности. Кроме того, ее управление осуществляется устройством ЧПУ типа CNC обслуживаемого станка, что значительно упрощает программирование (рис. 3.5).
Важным вспомогательным устройством для обслуживаемых роботами токарных станков является промежуточный накопитель карусельного типа (тактовый стол). Делительным перемещением этого стола управляет робот, поэтому затраты времени на подачу к столу заготовки фактически отсутствуют. Единственной проблемой является здесь недостаточная вместимость тактового стола для работы станка в течение целой смены. Проблема была решена в результате разработки простых поворотных устройств,рассчитанных на 4—6 заготовок и регулярно подпитываемых с помощью робокаров. Вариантом этого решения является установленный на робокаре спутник больших размеров, с которого робот в соответствии с технологическим циклом забирает заготовки (рис. 3.6).
При использовании устройств автоматической смены спутников или роботизированного обслуживания станков для окончательного превращения обрабатывающей системы в ГПС необходимо наличие транспортной системы и складов. С помощью робокаров заготовки можно транспортировать иэ накопителей к устройствам автоматической смены спутников и обратно. Таким образом, необходимость в рабочих сохраняется лишь для ремонта и технического обслуживания станков.
Для хранения заготовок в первую очередь необходим склад с автоматизированным складированием и поиском (это может быть пристройка к приемному складу). Требуется также подготовительный участок, на котором операторы устанавливают заготовки на спутники. Затем эти спутники вводят в промежуточный накопитель и уже оттуда робокары перевозят их к станкам. В конечном счете установка заготовок на спутники будет механизирована и отпадет необходимость в подготовительных участках и промежуточных накопителях вместе с некоторыми характерными для них монотонными и утомительными работами.
Рис. 3.5. Устройство CPC фирмы ”СМТ машин тулз”, управляемое от системы ЧПУ типа CNC токарного станка, как альтернатива роботизированному обслуживанию такого станка
Рис. 3.6. Робокар, сокращающий расходы на вспомогательную рабочую силу
Таким образом, важнейшими компонентами ГПС являются: оснащенные ЧПУ типа CNC станки с мониторами, роботами и дисковыми инструментальными магазинами, многопозицион-
ные накопители спутников и устройства их автоматической смены, робокары, склады с автоматизированным складированием и поиском, промежуточные накопители и подготовительный участок. Безусловно, практически вполне оправдана установка не полностью укомплектованной ГПС и ее эксплуатация с минимальным количеством обслуживающего персонала при наличии лишь некоторых из перечисленных выше элементов. Если, например, обработка крупногабаритной детали длится на станке свыше часа, то появляется возможность полностью обойтись без механической эагруэки-разгрузки и транспортирования, для чего потребуется всего лишь несколько операторов. В результате возрастает надежность работы в ночную смену без вмешательства обслуживающего персонала. Безусловно, поставленной при создании ГПС цели — повышения производительности — можно добиться лишь нетрадиционными средствами.
Равным образом, поскольку элементы ГПС для механической обработки имеют некоторые отличия от элементов систем для сборки или прессования, область применения ГПС не ограничивается только механической обработкой. В чем же заключаются основные приципы ГПС, которые можно применить для других технологических процессов? Во-первых, осуществляемое через устройства ЧПУ типа CNC управление от ЭВМ, задачей которого служит управление выполняемыми станком операциями. Аналогичные управляющие устройства могут быть применены для управления роботами, дыропробивным или любым другим прессом. Во-вторых, наличие устройства автоматической смены инструментов, которое может быть в различных формах использовано для сборочных роботов или многих других видов автоматизированного оборудования с целью повышения их гибкости.
Автоматизация транспортных и загрузочно-разгрузочных работ имеет важное значение и для других областей. Можно назвать, например, устройства, обеспечивающие правильность сборки деталей или предотвращающие избыточный износ штампов или пуансонов.
Таким образом, несмотря на то, что рассматривались элементы ГПС для механического производства, структура ГПС сохраняется для любого технологического процесса, а ее концепция применима для многих процессов. Уже существуют ГПС, способные по уровню развития оборудования и программного обеспечения с достаточной гибкостью обеспечивать работу при минимальном вмешательстве обслуживающего персонала. И все же нужно согласиться, что еще много времени и усилий потребуется для превращения намеченных контуров гибкого производства в полностью работоспособную систему.
ГЛАВА 4. ОТ МОДУЛЯ
И РОБОТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА К ГНС
Когда речь идет о внедрении новых технологических процессов, нельзя обойтись без их экспериментальной проверки. Это относится к ГПС так же, как и к любому другому процессу. Безусловно, имеет смысл наблюдать за работой производственных установок на многих различных предприятиях. Однако гораздо быстрее выявляются проблемы и находятся пути их решения при выполнении конкретной работы. Поэтому большинство фирм, эксплуатирующих крупные ГПС, начинало с небольших производственных систем, состоящих в некоторых случаях лишь из одного-двух станков, и только потом устанавливали полномасштабные ГПС.
Таким способом они получили возможность тщательно ознакомиться с проблемами организации спутникового хозяйства, стойкости и поломки инструмента, выбора конструкций зажимных приспособлений и удаления стружки. Кроме того, планирование и установка небольшой производственной системы (преимущественно на базе уже эксплуатируемых одного- двух станков с ЧПУ типа CNC) создает возможность образования небольшой группы специалистов одновременно с разработкой ГПС малых размеров. На любой фирме всегда имеется цех с широкой номенклатурой выпускаемых изделий, время освоения производства которых требуется значительно сократить. На крупных фирмах — это чаще всего экпериментальный цех или цех по выпуску запасных частей. Любой из них наилучшим образом подходит для установки небольшой ГПС.
В обоих случаях должны быть использованы станки с ЧПУ типа CNC, однако маловероятно, что для них найдутся там подходящие инструменты и приспособления. На малой фирме механический цех, где небольшими партиями обрабатывают крупногабаритные заготовки, станет, по-видимому, в дальнейшем первым полигоном для внедрения ГПС.
В настоящее время существует немало многоцелевых станков, которые могут быть приняты в качестве базы для создания ГПС. Одним из примеров таких станков может служить новый станок модели Т-10 с ЧПУ типа CNC фирмы ’’Цинциннати милакрон”. Этот многоцелевой станок горизонтальной компоновки оснащен поворотным столом-накопителем, рассчитанным на восемь спутников, и устройством их автоматической смены. Площадь каждого спутника составляет 500Х X 500 мм, грузоподъемность — до 700 кг. С загрузочной позиции поворотного стола-накопителя спутник поступает на стол станка и может быть автоматически подан со стола станка обратно на стол-накопитель.
Рис. 4.1. Щуп фирмы ’’Реиишоу”, используемый для нахождения базовых точек и поверхностей, а также для измерений
На станке предусмотрено устройство автоматической смены инструментов с магазинами на 45, 60 и 90 инструментов с возможностью ввода измерительных щупов фирмы ”Рени- шоу”. Оптимизация обработки посредством, например, автоматического управления величиной подачи и опознавания перегруженных или поломанных инструментов выполняется с помощью развитого программного обеспечения, служащего также для проверки положения базовых точек или осуществления некоторых контрольно-измерительных операций. При этом можно, безусловно, воспользоваться и измерительным щупом фирмы ’’Ренишоу” (рис. 4.1).
На многоцелевом станке за 8 ч без вмешательства обслуживающего персонала было обработано шесть различных деталей из стали и чугуна. На них было выполнено 79 фрезерных и 192 сверлильных операций, а также 8 операций развертывания, 31 — резьбонарезания метчиком, 25 — растачивания и 29 — резьбофр езерования.
Хотя этот станок и является автономным, он не может служить наилучшей базой для создания крупной ГНС. Его многоместный поворотный стол-накопитель спутников подходит для отдельного станка, однако при использовании встроенной транспортной системы рациональнее применять станок с двухпозиционным устройством автоматической смены спут-
ников, которое к тому же занимает меньше производственной площади.
В случае, если цикл. обработки на станке занимает 2...6 ч, сам станок может обо-ыевать лзтонсмвую ГЭС (т.е. гибкий производственный модуль), работая без обслуживающего персонала не .менее 1 б ч. Практически станок обычно используют для выполнения болящей чаши дневного задания на изготовление деталей с коротким никлом обработки в дневную смену с участием обслуживающего персонала. Это обеспечивает is ночную смену минимум операций, юебуюших участия человека.
В самом деле, если заготовки были бы ж? слишком тяжелые, а лишь требовали большого объема механической обработки, возникла бы возможность такою сочетания спутников, при которой станок смог бы работать без вмешательства обслуживающего персонала, не менее 24 ч. Этим обеспечивалась бь! потенциальная возможность шестидневной рабочей недели, причем в течение этой недели с обслуживающим персоналом станок работал бы всего пять смен. Это означало бы резкое повышение коэффициента использования оборудования, показывая, что в некоторых отраслях промышленности для обеспечения частично безлюдной тсхюлегии не требуются сложные, управляемые л ЭВМ про изводе пзепные системы и робокары.
Некоторые фирмы, возможно, отдадут предпочтение идее создания ГПС из двух независимых многоцелевых станков путем обеспечения связи между ними. Поскольку два связанных между собой станка с едины:м накопителем спутников обладают намного большей универсальностью, чем те же станки, не связанные между собой, их независимую наладку следует рассматривать лишь как временную меру до разработки различных подсистем, например, инструментальных, транспортирования спутников и удаления отхолов. Такая производственная система, даже имея в своем составе два или более станков, не может по производительности конксриповать с комплексной ГПС.
Большое количество малых ГИС выпущено фирмой ’’Окума”. При их создании стандартный многоцелевой станок оснащают несколькими датчиками и прочим вспомогательным оборудованием. Так, датчик-щуп используют для автоматического определения базовой позиции заготовки, коррекции инструмента и расположения отверстий. Имеются также отдельный контактный датчик для определения износа инструмента и система контроля его стойкости. Могут быть предусмотрены устройство автоматической смены спутников или их накопитель, рассчитанный на шесть или десять спутников. Работу всех систем обеспечивает одно управляющее устройство, поэ-
6,5м
Рис. 4.2. Компоновка роботизированного технологического комплекса из двух токарных станков, предназначенного для обработки фланцев н валов широкой номенклатуры:
1 — спутник с обработанными деталями; 2 — токарные станки; 3 — робот; 4 спутник с заготовками; 5- — панель управления роботом;
6 — гидравлический силовой агрегат робота
тому станок может функционировать как гибкий производственный модуль.
Более реально сочетание двух токарных станков с ЧПУ типа CNC, обслуживаемых роботом, или многоцелевого и токарного станков с роботом и создание на этой основе роботизированных технологических участков. Большинство фирм, устанавливающих роботы на станки (фирма ’’Окума”, например, роботизирует несколько своих станков), используют для этой цели отдельно стоящие роботы моделей Т3 фирмы ’’Цинциннати мил акрон” или IRb-60 фирмы ASEA. Два токарных станка устанавливают взаимно перпендикулярно, получая две стороны квадрата, третью сторону которого занимает спутник с заготовками, а четвертую — спутник с готовыми деталями. В одном углу квадрата вблизи станков расположен стол или поворотное зажимное устройство, а в противоположном — устройство управления роботом (рис. 4.2).
При включении в состав участка двух токарных станков
один из них выбирают преимущественно токарно-фрезерным обрабатывающим центром, обеспечивающим одновременно сверление, резьбонарезание и фрезерование торца и периферии заготовок. В этом случае участок может быть налажен на обработку фланцев и корпусных деталей (для некоторых из них потребуются операции фрезерования, сверления и резьбонаре- зания) и валов. Фирма ’’Окума” сообщает, что заготовки диаметром до 200 мм и длиной 200...400 мм она обрабатывает на таких участках с циклом примерно 4 мин. Размер партии 20 шт. считается минимальным.
Участок, включающий токарный и многоцелевой станки, имеет аналогичную компоновку, хотя в нем предусмотрены более сложные фрезерные операции. Если не все детали типа тел вращения требуют обработки на многоцелевом станке, то этот станок может быть загружен и другими деталями, хотя это осложняет систему транспортирования деталей (рис. 4.3).
При условии автоматического подвода и отвода спутников участок может функционировать без вмешательства обслуживающего персонала до двух смен, причем в дневную смену для его обслуживания требуется лишь один оператор. В эту смену и переналаживают участок. По заявлению представителей фирмы ’’Окума”, непосредственно процесс резания на станках участка занимает 80% всего времени их работы, т.е. 19,2 ч. Отмечается, что по сравнению с двумя отдельными станками загружаемыми и разгружаемыми оператором, коэффициент использования станков достигает 50 ... ... 55%. Таким образом, потенциальная производительность участка, включающего два станка и робот, в расчете на одного оператора в 4,4—4,8 раза выше, чем у двух станков, работающих с ручным обслуживанием в течение одной смены. Благодаря обслуживанию роботом двух станков повышается экономическая эффективность этого решения. Кроме того, обеспечение функционирования не требует использования сложного программного обеспечения.
Каждый станок участка имеет собственное устройство ЧПУ типа CNC, посылающее по окончании цикла обработки соответствующую команду роботу, который по этой команде выполняет заранее запрограммированную последовательность операций. В некоторых случаях робот может управлять началом циклов обработки на обоих станках таким образом, чтобы циклы загрузки этих станков находились в одной фазе. Для этого может быть использован и программируемый (контроллер командоаппарат).
В другом варианте компоновки участок включает два линейно расположенных токарных станка, причем каждый из них оснащен собственным встроенным роботом. Робот перво-
8,5 м
Рис. 4.3. Роботизированный технологический комплекс, включающий токарный и небольшой многоцелевой станки:
1 — спутник с обработанными деталями; 2 — контейнер для стружки;
3 — бак для СОЖ; 4 — устройство ЧПУ; 5 — многоцелевой станок;
6 — токарный станок; 7 — робот; 8 — спутник с заготовками; 9 — панель управления роботом; 10 — гидравлический силовой агрегат робота
го станка забирает заготовки с промежуточного накопителя карусельного типа и вводит их в станок, а после обработки укладывает на конвейер, подающий эти заготовки ко второму станку. После окончания обработки на втором станке детали укладываются на другой промежуточный накопитель карусельного типа.
Четыре входящих в другой участок небольших многоцелевых станка, обрабатывающих детали объемом до 500Х X 500Х 500 мм, располагают попарно навстречу друг другу. Обе пары станков разделяет узкий проезд. С одной его стороны находится конвейер для подачи заготовок, с другой — конвейер для удаления готовых деталей, а посредине — робот модели Т3 фирмы ’’Цинциннати милакрон” (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Роботизированный технологический комплекс, включающий четыре многоцелевых станка для небольших деталей с циклом обработки не менее 5 мин:
1 — конвейер для обработанных деталей; 2 — многоцелевые станки МС-5Щ 3 — управляющее устройство робота; 4 — робот; 5 — конвейер для заготовок; 6 — гидравлический силовой агрегат робота
С помощью своей длинной руки робот может доставать до всех столов многоцелевых станков идо обоих конвейеров. Безусловно, на каждом столе должны иметься автоматические зажимные устройства, но поскольку погрешность позиционирования руки робота невелика, установка заготовок в эти устройства не вызывает никаких сложностей. На участке можно производить обработку деталей широкой номенклатуры со временем цикла более 5 мин и величиной партии не менее 30 шт.
В простейшей производственной системе на каждом таком многоцелевом станке до его переналадки непрерывно обрабатывают детали лишь одного типоразмера. Однако с добавлением к такой системе управления от ЭВМ количество
типоразмеров одновременно обрабатываемых деталей возрастает, что повышает гибкость процесса.
Такие модули агрегатного исполнения появились совсем недавно. Их можно комбинировать, получая более крупные производственные системы. Следует отметить, что большинство первоначально устанавливавшихся ГПС включало два- три стандартных многоцелевых станка, оснащенных для обеспечения гибкости специальным загрузочно-разгрузочным и транспортным оборудованием. В этих ГПС предпочтение часто отдавали конвейерам, которые были в то время дешевле робокаров. В одну из таких ГПС, например, входило два многоцелевых станка, между которыми был расположен овальный конвейер, а вдоль двух прямолинейных участков этого конвейера проходил дополнительный конвейер. Несмотря на то, что пульты управления ГПС были расположены внутри овального конвейера, занимаемая системой производственная площадь была очень велика. И все же эта ГПС могла функционировать в режиме безлюдной технологии.
Примером первых систем типа DNC, имеющих более современную транспортно-складскую систему, явилась ГПС, изготовленная фирмой ’’Тойода машин уоркс” для фирмы ’’Леон отомэтик машинери” (Япония). Она включает два горизонтальных многоцелевых станка, оснащенных каждый собственным двухпозиционным устройством автоматической смены спутников. Устройства располагают напротив друг друга, оставляя между ними пространство, по которому проходит 16-метровый рельсовый путь. По этому пути перемещается рельсовая тележка. В конце его находится участок загрузки-разгрузки. С каждой стороны участка расположено по одному накопителю спутников, которые обеспечивают промежуточное накопление до 19 спутников. В цехе установлено также пять фрезерных станков, используемых для обработки базовых поверхностей заготовок (такие операции в ГПС обычно не выполняются), небольшой многоцелевой станок и два сверлильных (рис. 4.5).
Эту ГПС используют для обработки алюминиевых отливок 50 типоразмеров при величине партии примерно 50 шт. в месяц. Заготовками служат преимущественно плиты (основания) толщиной 100 мм, картеры коробок передач размером 500X500 мм и рамы размером 600X600 мм. Общая производительность ГПС, работающей 20 ч в сутки, составляет 2 тыс. деталей в месяц.
В начале утренней смены оператор с помощью подъемника поочередно загружает заготовки на тележку, доставляющую первые две заготовки непосредственно к станкам, которые сразу же начинают обработку. Затем посредством той же тележки он загружает различные позиции накопителей. Каж- 56
23м
Рис. 4.5. ГПС фирмы ’’Леон отомэтик машинери”, состоящая из двух многоцелевых станков и накопителя спутников с ручным управлением: 1 — многоцелевые станки, оснащенные устройствами автоматической смены инструментов и спутников; 2 — робокар; 3 —участок загрузки— выгрузки; 4 — накопитель на 20 спутников
дан позиция имеет возможность поворота, что облегчает их загрузку.
Хотя общее управление этой ГПС осуществляется миниЭВМ, фактически подготовительные операции проводятся вручную. На каждой позиции накопителя имеется кнопка, которую оператор нажимает для обеспечения подачи на обработку определенной детали. С помощью такой системы можно изменить ранее установленную последовательность обработки находящихся на спутниках деталей и ввести новый порядок. Ее основным преимуществом является простота. По окончании загрузки в накопитель всех деталей их номера вводят в память мини-ЭВМ вместе с номерами соответствующих позиций накопителя. Эти данные требуются для подачи команд тележке, в каком месте она должна находиться, и многоцелевому станку, какую программу он должен отработать при поступлении на него соответствующей детали.
Обычно для начала цикла обработки оператор нажимает одну кнопку и прежде, чем нажать другую, ожидает, пока начнется этот цикл. Однако в конце смены для установки порядка обработки установленных на спутниках деталей он нажимает кнопки в определенной последовательности с тем, чтобы станки работали в ночную смену без участия обслуживающего персонала. Каждый многоцелевой станок оснащен
устройством автоматической смены инструментов с магазином на 60 инструментов. В случае поломки инструмента его замена производится автоматически.
Вся ГПС, включая мини-ЭВМ и устройства управления конвейером, стоит около 700 тыс. ф.ст. и обслуживается в дневную смену двумя операторами. Фирма полагает, что производительность этой ГПС эквивалентна производительности 15—20 обычных станков, а время обработки сократилось более чем на 60%. Это довольно значительный выигрыш, который с лихвой окупает затраты на ГПС, тем более что для нее не требуется отдельной контрольно-измерительной позиции. Затраты на рабочую силу уменьшились на 120 тыс.ф.ст. в год.
Установленную на фирме ’’Леон” ГПС с ручным управлением последовательностью подачи деталей на обработку и необычной компоновкой нельзя назвать типовой. Однако она убедительно демонстрирует значительные преимущества применения двух многоцелевых станков, полностью загруженных 16 ... 20 ч в день, по сравнению с применением этих же станков, работающих независимо обычно в течение 8 ... 10 ч в день. Хотя общая установка такой системы может показаться дорогой, она, тем не менее, обеспечивает значительно большее повышение эффективности обработки, чем использование отдельных станков, и открывает пути к вводу второй смены без обслуживающего персонала. Именно в этом и состоит одна из целей ГПС.
Фирма КТМ (’’Керни-Трекер-Марвин”) устанавливает в г. Брайтоне (Великобритания) ГПС стоимостью 800 тыс. ф.ст., созданную на базе двух горизонтальных многоцелевых станков модели КТМ-760. Компоновка ГПС проста: она включает два установленных в ряд станка и участок загрузки-разгрузки перед которыми уложен путь для рельсовой тележки. С другой стороны этого пути расположен ряд спутников многопозиционного накопителя. Вначале фирма КТМ установила только один многоцелевой станок, второй будет добавлен позднее (рис. 4.6).
На этой ГПС можно обрабатывать призматические детали объемом до 760Х 760Х 760 мм. Планируется обработка деталей 80 типоразмеров. Предполагают, что время обработки сократится в среднем на 40%. Поскольку оно изменяется в диапазоне от 10 мин до 7 ч, на одном спутнике для сокращения времени наладки будут устанавливать по нескольку деталей. Минимальное основное время составит 60 мин, при этом ставится задача увеличить его до 2 ч. Несмотря на оснащение станков сдвоенными инструментальными магазинами, необходимость в смене инструментов не отпадает, причем смена будет проводиться вручную. Фирма КТМ при внедрении этой системы поставила перед собой довольно скромные цели, планируя эксплуа-
тировать ее с участием обслуживающего персонала 8 ч и без участия только 4 ... 8 ч.
Наглядным примером ГПС, работающей 24 ч в сутки, но при значительном объеме вмешательства обслуживающего персонала, служит ГПС, установленная на фирме ’’Окума” для обработки передних бабок, кареток, револьверных головок и коробок передач станков, а также небольших корпусов электродвигателей, причем на одном спутнике устанавливают по две такие-корпусные детали. ГПС, включающая семь горизонтальных многоцелевых станков (четыре — модели МС-5Н и три — модели МС-6Н), предназначена для обработки деталей 130 типоразмеров. Самый длинный цикл обработки составляет 4 ч, а средний — 2 ч. Принципы компоновки этой ГПС можно применить как к небольшой ГПС, состоящей из трех станков, так и к ГПС с гораздо большим количеством оборудования (рис. 4.7).
Семь станков ГПС расположены в ряд и оснащены каждый устройством автоматической смены спутников, рассчитанным на два спутника. Перед станками имеется проезд, по другую сторону которого расположены в ряд входящие в накопитель спутники — по три спутника для двух станков и по два для остальных. Робокар может перемещаться вдоль проезда, а также по дополнительной траектории к участку наладки и
Рис. 4.7. ГПС фирмы ’’Окума” с инструментальным участком, удаленным от станков, что удлиняет маршрут робокара:
1 маршрут робокара (Z = 160 м); 2 —остановочные пункты робокара (всего 47); 3 машинный зал; 4 — управляющее устройство робокара; ^ инструментальный участок; 6 — дисплей; 7 — печатающее устройство; 8 — устройство предварительной настройки инструмента; 9 —заточный станок; 10 склад на 500 инструментов; 11 — помещение для управления инструментальным хозяйством; 12 — ЭВМ, управляющая робокаром; 13 ЭВМ, управляющая ГПС; 14 — наладочный участок; 15 склад приспособлений; 16 — робокар; 17 — спутники (всего 17) ; 18 — инструментальные магазины (всего 7) многоцелевых станков; 19 — многоцелевые станки (всего 7) ; 20 — конвейер отвода стружки
далее к инструментальной позиции. Кроме того, этот робокар имеет возможность автоматической загрузки и разгрузки накопителя спутников и инструментальной позиции.
В дневную смену на подготовительном участке работают три оператора. В эту смену производится большинство подго-
товительных работ на предстоящий суточный период. Вначале операторы выбирают из склада требуемые зажимные приспособления и устанавливают их на спутники, а затем с помощью двух кранов устанавливают в эти приспособления заготовки. После этого заготовки по мере необходимости с помощью робокаров перевозят к накопителю спутников. После обработки они снова поступают на подготовительный участок для снятия со спутников.
В самом начале первой дневной смены робокар забирает заготовки непосредственно с подготовительного участка, перевозит их к устройствам автоматической смены спутников на станках и соответственно загружает спутники заготовками. Во вторую смену требуется меньший объем подготовительных работ, поэтому для их выполнения достаточно одного оператора, который готовит спутники на свою смену и на следующую, третью, проводимую без участия обслуживающего персонала. Разумеется, в третью смену робокар только перевозит заготовки между спутниками и станками.
В дневную смену на инструментальном участке один человек занят также переточкой инструментов, их подбором из инструментального склада, рассчитанного на 500 инструментов, и составлением из подобранных инструментов комплектов в соответствии с командами от ЭВМ. Робокар периодически заезжает на инструментальный участок, забирает оттуда спутник с установленными в нем инструментами и подвозит его к инструментальным магазинам, расположенным за каждым станком. Смена инструментов в этих магазинах, рассчитанных на 70 инструментов, производится вручную.
Поскольку заготовки выполнения из чугуна, не на всех станках требуется установка мониторов для контроля износа и поломки инструментов. Монитор для контроля поломки инструментов имеется, например, лишь на одном станке. Однако контроль стойкости инструмента все-таки осуществляют, а на некоторых станках для распознавания его поломки устанавливают датчики-щупы.
Некоторого упрощения программного обеспечения в ГПС добиваются, используя одну ЭВМ для управления самой ГПС, а другую — для управления робокаром. Дальнейшего упрощения достигают путем специализации каждого станка на обработке заготовок одного типа, например, корпусов передних бабок. В результате упрощается манипулирование как заготовками, так и инструментами (рис. 4.8).
Эта ГПС, за исключением зажимных приспособлений, стоила фирме ’’Окума” около 1,1 млн.ф.ст. До ее внедрения обработка проводилась на отдельных многоцелевых станках. Много времени отнимала установка заготовок на станках, поэтому коэффициент использования оборудования при двухсменной
Рис. 4.8. Многоцелевой станок, оснащенный устройством автоматической смены спутников и входящий в ГПС, показанную на рис. 4.7. Перед станком расположены спутники, а вдоль него, на стеллажах — дополнительные инструменты
(16-часовой) работе составлял лишь 55%. В настоящее время он повысился до 75%, а поскольку ГПС функционирует круглосуточно, то время работы станков увеличилось с 9 до 18 ч в сутки.
Простота ГПС фирмы ’’Окума” заключается в том, что она является автономной и сохраняет классическую структуру ГПС. Во-первых, имеется ряд станков, которые, несмотря на оснащение устройствами автоматической смены инструментов и спутников, все же нуждаются в дополнительных инструментах для выполнения отдельных работ. Во-вторых, предусмотрено достаточно большое количество расположенных в ряд спутников, позволяющее обеспечить функционирование ГПС как минимум в одну смену без участия обслуживающего персонала. В-третьих, ГПС придают робокар, который может перемещаться между станками и спутниками, а также имеет возможность заезжать на подготовительный и инструментальный участки. Для хранения инструментальной и зажимной оснастки используют обычные склады, в которых операторы могут найти все необходимые инструменты и приспособления.
ГПС такой компоновки применима для изготовления в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства деталей большого количества типоразмеров. Однако существуют ГПС, у которых достигнута значительно большая степень
интеграции складского и инструментального хозяйства, а также обеспечено сочетание токарных операций со шлифовальными. Именно по этому пути нужно идти при совершенствовании гпс.
ГЛАВА 5. ЗАВИСИМОСТЬ ПОТОКА МАТЕРИАЛОВОТ компоновки гпс
Существуют различные подходы к проблеме размещения оборудования в ГПС. Основное в них — стремление еще до принятия решения о компоновке ГПС полностью продумать всю ее структуру. Для достижения наилучших результатов ГПС следует рассматривать как законченную систему, начиная от заказа на ее проектирование и кончая отгрузкой заказчику. На практике обычно устанавливают вначале один участок ГПС, а затем его планомерно наращивают до окончательного создания всей системы. Поэтому при проектировании следует принимать в расчет всю ГПС, даже если это и вызывает некоторые осложнения .при ее эксплуатации, когда рабатает только часть системы (рис. 5.1).
В ГПС для механической обработки входят не только станки и склады, но и оборудование для осуществления дополнительных операций, напри мер^ мойки и удаления стружки. Как правило, ГПС включает несколько станков, спутники, зажимные приспособления, заготовки, инструменты, робокары, подготовительный и инструментальный участки, склады и машинный зал. Если в простейшую ГПС должно входить, например, всего два станка, то для ее реализации не потребуются все вышеперечисленные компоненты, однако их тем или иным образом следует учитывать с самого начала проектирования.
Существует несколько типов компоновок ГПС.
Произвольная, при которой несколько станков в ГПС произвольно располагают в виде прямоугольника. Недостаток такой компоновки в том, что при наличии в ГПС свыше трех станков транспортные маршруты усложняются и удлиняются.
Функциональная, при которой станки (токарные, фрезерно-расточные и шлифовальные) располагают по функциональному Признаку так, чтобы заготовки последовательно проходили с начала до конца ГПС. Эта компоновка характерна для цеха мелкосерийного производства.
Модульная, при которой аналогичные операции параллельно выполняются одинаковыми гибкими производственными модулями. Такая компоновка обладает определенными возможностями резервирования и при некоторых условиях может заменять функциональную. В свою очередь, резервирование об-
000000000000000000000000а)а)г)г)Рнс. 5.2. Варианты компоновок ГПС (различные типы станков обозначены буквами а, Ь, с): а — произвольная; б — функциональная; в — модульная; г — групповая; д — ступенчатая с группами оборудования для предварительной (7), основной (2) и специальной (5) обработкиРнс. 5.2. Варианты компоновок ГПС (различные типы станков обозначены буквами а, Ь, с): а — произвольная; б — функциональная; в — модульная; г — групповая; д — ступенчатая с группами оборудования для предварительной (7), основной (2) и специальной (5) обработки
0000
0000
0000
0000
0000
0000
а)
а)
г)
г)
Рнс. 5.2. Варианты компоновок ГПС (различные типы станков обозначены буквами а, Ь, с): а — произвольная; б — функциональная; в — модульная; г — групповая; д — ступенчатая с группами оборудования для предварительной (7), основной (2) и специальной (5) обработки
Рнс. 5.2. Варианты компоновок ГПС (различные типы станков обозначены буквами а, Ь, с): а — произвольная; б — функциональная; в — модульная; г — групповая; д — ступенчатая с группами оборудования для предварительной (7), основной (2) и специальной (5) обработки
Рнс. 5.1. Комплексная ГПС, в которой ЭВМ осуществляет управление станками с ЧПУ типа CNC, робокарами 4, работой склада 3 и снабжением инструментами (звездочками обозначены устройства ЧПУ станков, входящих в ГПС. Стрелки показывают связь между этими устройствами и центральным процессором 2) :
7 — инструментальный участок
легчает применение этой компоновки при выполнении срочных заказов или решении неожиданно возникших проблем.
Групповая, при которой каждая группа станков предназначена для обработки определенной номенклатуры заготовок. Эта компоновка является развитием принципа групповой технологии и обеспечивает, по-видимому, наивысшую производительность на операциях механической обработки. При различных типах заготовок ее можно применять также для поэтапного внедрения ГПС, поскольку каждая группа входящих в ГПС модулей может обладать автономной структурой. В случае крайней необходимости существуют некоторые возможности переноса обработки от одной группы к другой (рис. 5.2).
Помимо выбора компоновки ГПС необходимо учитывать и те операции, которые обычно следует проводить на других участках. Во многих случаях, например, перед установкой заготовки на станок возникает необходимость во фрезеровании 64
одной ее плоскости (базовой), а для упрощения закрепления этой заготовки может потребоваться просверлить несколько технологических отверстий. В идеальном случае эти операции также следует выполнять в условиях ГПС, но поскольку они редко являются определяющими, то рациональнее использовать для этих целей существующие фрезерные и радиально-сверлильные станки, особенно если операторы ГПС смогут их загружать в перерывах между установкой заготовок на спутники.
После обработки в ГПС может возникнуть необходимость в проведении некоторых дополнительных операций, например, закалки и шлифования. Оборудование для выполнения этих операций, по-видимому, целесообразно располагать отдельно от ГПС, создавая три участка: предварительной, основной и финишной обработки. Кроме того, хотя проведение сборки в условиях ГПС нередко слишком сложно, сборку все равно следует включить в общую транспортную систему. Наличие на предприятии управляемого транспортного потока является одним из важнейших факторов для эксплуатации всех ГПС.
При установке ГПС большинство фирм применяет однорядное расположение станков. В случае большого количества станков может возникнуть необходимость в робокарах, требующих для своей эксплуатации значительной производственной площади. Эта необходимость не является определяющей при требующей много времени обработке крупногабаритных заготовок, поскольку в таком случае робокары обычно недоиспользуют. Однако при коротких циклах обработки может даже возникнуть проблема нехватки робокаров (рис. 5.3).
Для обработки небольших заготовок (массой до 30 кг) можно применить малую ГПС, не оснащенную робокарами. Такая ГПС, разработанная, например, фирмой ’’Окума”, включает два токарных и четыре многоцелевых станка, обслуживаемых двумя отдельно стоящими роботами. Токарные станки
Рис. 5.3. Варианты компоновок гибких автоматизированных участков, состоящих из двух многоцелевых станков 1:
а — с многопознционными устройствами автоматической смены спутников 3; б — с линейным потоком заготовок; в — с кольцевым потоком заготовок; 2 — участок загрузки-выгрузки
для удобства обслуживания их одним роботом располагают взаимно перпендикулярно. Робот устанавливает заготовки, прошедшие токарную обработку, на небольшой конвейер. Забирает их оттуда другой робот, расположенный в середине участка, состоящего из четырех многоцелевых станков. Для удаления готовых деталей из этого участка также предусмотрен небольшой конвейер.
У роботов фирмы АСЕА (ASEA') (Швеция), используемых в этой ГПС, длина рук настолько велика, что позволяет им обслуживать все станки, входящие в ГПС, обеспечивая ее компактность. Площадь, занимаемая этой ГПС, составляет ЮХ X 16 м. Оснастив ГПС соответствующим загрузочно-разгрузочным и транспортным оборудованием, можно добиться ее работы без обслуживающего персонала, но в таком случае это будет скорее роботизированная технологическая ячейка, чем ГПС. Ниже будет показана целесообразность создания ГПС на базе автоматизированного склада без использования робокаров.
В ГПС, аналогичных описанной выше, особое внимание необходимо уделять вспомогательным устройствам, поскольку станки должны быть расположены недалеко друг от друга, чтобы оставаться в пределах досягаемости роботов. В то же время очень важно установить их таким образом, чтобы любое вмешательство оператора, например, для загрузки промежуточных накопителей происходило в зонах, не доступных для действия роботов. При этом должно быть предусмотрено пространство для смены инструмента, эксплуатационного обслуживания оборудования, а также для уборки стружки (рис. 5.4).
Применение конвейеров характерно для двух английских ГПС, установленных — одна на фирме ”Ролс-Ройс” для шлифования турбинных лопаток и вторая — система SCAMP — на заводе фирмы ”600 Груп” для обработки небольших деталей. Дневная производительность ГПС ”Ролс-Ройс” составляет 250 турбинных лопаток. Эти лопатки имеют короткий цикл обработки. В ГПС входит семь шлифовальных роботизированных комплексов, состоящих каждый из двух плоско шлифовальных станков для глубинного шлифования, обслуживаемых роботом модели MHU фирмы ASEA. Эти комплексы расположены с обеих сторон центрального конвейера, по одной ветви которого загружаемые и разгружаемые роботами лопатки проходят вперед, а по другой возвращаются. Размер партии достигает 3500—4000 лопаток. Особенность этой ГПС состоит в том, что она была установлена в качестве экспериментальной в целях ее дальнейшего развития.
В настоящее время в роботизированных комплексах этой ГПС два плоскошлифовальных станка заменены одним двухшпиндельным нового типа с позиционирующим устрой-
16 м
3
Рис. 5.4. Роботизированный технологический участок с токарными 4 и многоцелевыми 3 станками, обслуживаемыми двумя роботами 2: 1 — конвейер для готовых деталей; 5 — ЭВМ; 6 — спутник с заготовками; 7 — конвейер для заготовок
ством. Это явилось одним из этапов внедрения проекта крупной ГПС, оснащенной робокарами. Использование в ГПС конвейеров упростило загрузку, выгрузку и транспортирование лопаток, потому что небольшие лопатки наиболее эффективно транспортировать именно таким способом. При наличии семи роботизированных комплексов и при коротких циклах обработки могло бы понадобиться несколько робокаров, но их использование для такого цикла не было бы оправдано.
В ГПС модели SCAMP возможно осуществление токарной обработки, фрезерования, сверления, резьбонарезания, шлифования, зубофрезерования, зубодолбления и зубозакругле- ния. Заготовки типа валов и дисков обрабатываются при размере партии 25—100 шт. ГПС включает девять установленных в ряд станков, разделенных по функциональным группам. Каждый станок, кроме зубодолбежного, обслуживается отдельно стоящим роботом. Конвейер состоит из четырех ветвей. На концах двух внутренних ветвей, объединенных в замкнутую петлю, расположены поворотные столы для закодированных спутников. Две наружные ветви используют для переноса заготовок к станкам и для проведения загрузочно-разгрузочных операций. Для переноса спутников к позициям загрузки- разгрузки предусмотрены пропускные устройства. На этих позициях датчики считывают код спутников и по команде от центральной ЭВМ устройства задерживают спутник или пропускают его дальше по конвейеру.
Длительность цикла обработки невелика (3 ... 10 мин), но з*67
Ач
PQ S q * s 2
о ф S и ф в
сз
2
в
>»
h
л о
л а о
о о
S В ф я о 2
о и сз
hQ
В ^ но
о и л
i sI a
>S ,5
О _ -
=2 § Йо
В
о
л:
X 5
>s 2 и Й и
S
g a g 2 5 о 8 8 2 а s^e & g
о *
Е з
^ 2
О
к S
5 Ф к
в
а
о
о
к в
к 5
к я и
о
О S
>» а о о
о
ci X В О И в 2 о
>> £ V ф *e
’S у2 X
в
& и и о
1О
1О
о s
со
«у О с« 2 g
8 9 g H «r^ o>» 5k
ЙУ
О ~
н у
а а
Ф 2>s u
о а 2
и ? и о
В
X >» в я
в S и л в о а S h И Ф
о сз I h О S о
В сз и А
В сз
>»
ф 2 и X о
>» В О а в
В S
я S % о
в
S X S
5 >» в и
со о в
СО •*
s^ - a
в
sg
о Ф
в о
l«
2 о н в л
нО 2 а s
IQ <D
£ tD д О Мм
SO 5 Н г*
S а о
Ф со
5С
EI —
2 у u
о с\ У а
Ф
S X S 9" н сз я
S X СП >» а
ф S X со >» а Й со
S
со
В о
5 в
я о 2
X о и
СЗ 1 н о
>5
л в
>5
2vV«s
^-•M“hQ
p5s
Г л51 g
а
>»
л X о
5 2
§ 2>s
^3
” ж Н аХУ ФkJ.
’й Ф’5 в s в Ф§3о^| §sк 5рS S 5 ф н IQ х а з ^^
в
I I и >s У
S и а
разделение конвейера на внутренние и наружные ветви дает спутникам возможность циркулировать по внутренним ветвям. Это обеспечивает возможность промежуточного накапливания спутников на этих ветвях. На каждом спутнике установлено такое количество заготовок, которое достаточно для проведения обработки в течение примерно 30 мин. Если в ГПС поступает срочный заказ, он может быть послан непосредственно на станок.
Конвейеры занимают большую производственную площадь и накладывают определенные ограничения на любую ГПС, хотя ГПС модели SCAMP, конвейер которой оснащен двумя внутренними ветвями для транспортирования спутников, представляет собой попытку преодоления свойственных конвейерам недостатков. Однако при установке такой конвейерной системы возникают затруднения при изменении компоновки ГПС. Кроме того, конвейер вводит в ГПС дополнительную ступень (загрузочно-разгрузочные и транспортные работы) между этим конвейером и складом, в том числе возможно и с помощью операторов. Использование робокаров позволяет ликвидировать зту ступень (рис. 5.5; 5.6).
Компоновка ГПС фирмы ZF существенно отличается от компоновки, использованной в ГПС модели SCAMP. Эта ГПС предназначена для изготовления зубчатых колес диаметром 82 ... 280 мм и шириной до 90 мм с месячной производительностью 16 тыс. шт. Размер партии составляет 50—500 шт. Станки расположены по обе стороны проезда, предназначенного для размещения центрального склада и транспортных устройств. С одной стороны проезда находятся четыре токарных, один протяжной и один сверлильный станки, а с другой — три зубофрезерных, один зубошевинговальный, два станка, предназначенных для фрезерования, снятия фасок и закругления торцов зубьев, и один станок для обкатывания роликом. Для придания ГПС большей компактности операции фрезерования, снятия фасок и скругления торцов зубьев сконцентрировали на одном станке (рис. 5.7).
Для транспортирования заготовок между станками предусмотрены шестиярусные магазины, рассчитанные на 30 или 60 заготовок. Магазины загружают роботом и транспортируют портальным штабелером к расположенному между станками промежуточному накопителю или непосредственно к приемному устройству на станке. Это устройство имеет возможность поворота, что облегчает захват роботом из магазина всех заготовок (рис. 5.8).
Для компоновки этой ГПС характерны простота и гибкость, определяемая наличием достаточного пространства между станками для складирования заготовок, а также полной механизацией загрузочно-разгрузочных и транспортных
Рис. 5.6. Конвейер ГПС модели SCAMP с четырьмя ветвями (две ввут ренние ветви служат транспортными путями спутников)
Рис. 5.7. ГПС фирмы ZF со станками, установленными по обе стороны центрального накопителя, обслуживаемого портальным штабелером: 1 — зубофрезерные станки; 2 — токарные станки; 3 — протяжный станок; 4 — сверлильный станок; 5 — поковки и готовые детали; 6 — зубодолбежный и зубообкатный станок; 7 — станки для снятия фасок с зубьев и их закругления, а также для фрезерования масляных каналов;
8 —шевинговальный станок
Рис. 5.8. Магазины с заготовками в ГПС фирмы ZF, перемещаемые портальным штабелером и сканируемые в проходе между станками
операций. Кроме того, в цехе не требуется значительной производственной площади для портального штабелера, который обеспечивает быструю доставку заготовок в любом порядке от промежуточного накопителя к станку. В то же время необходимость ручной смены инструментов для изготовления деталей большого количества типоразмеров вынуждает использовать обслуживающий персонал в обеих рабочих сменах. До введения автоматической смены инструментов или до обеспечения такого объема партий, при котором инструменты заменялись бы лишь в первую смену, эта ГПС не может дать того эффекта, на который рассчитывают при ее внедрении.
ГПС для обработки коленчатых валов тяжелых дизельных двигателей, установленная фирмой ’’Вольво” на своем автомобильном заводе в г. Сковде, аналогична ГПС фирмы ZF в том, что транспортную систему и промежуточные накопители здесь также располагают в центре ГПС между четырьмя станочными участками. В этом случае участки находятся друг от друга достаточно далеко, что приводит к необходимости использования робокаров. Кроме робокаров оба станка, входящие в каждый участок ГПС, обслуживает портальное загрузочное устройство. Цикл обработки составляет в среднем 10 мин. Заготовки подаются в ГПС партиями по 2000 шт., что при односменной работе составляет четырех- или пятинедельный выпуск.
Оператор с помощью портального загрузочного устройства загружает заготовки на гравитационный конвейер-накопитель, где может находиться до 15 заготовок валов, обработка кото-
рых занимает 1,5 ч. Этим же устройством он затем переносит заготовки на второй станок участка, а оттуда на зажимное приспособление спутника, используемого для перемещения заготовок по всей транспортной системе ГПС. Спутники, каждый из которых рассчитан на установку пяти заготовок, перемещают между обрабатывающими станциями на трех робокарах. В центральном складе предусмотрено место для шести спутников, что обеспечивает примерно пять часов работы ГПС (рис. 5.9).
Описываемая ГПС представляет собой специализированную систему для предварительной механической обработки коленчатых валов и их окончательной обточки. В первый участок входят балансировочный станок фирмы ’’Шенк’’, где размечается также осевая линия коленчатого вала, и токарный станок модели Swedturn = 18CNC, на котором предварительно обрабатывают его фланцы и коренные шейки. На втором участке установлены фрезерный станок модели GFM с ЧПУ типа CNC, где предварительно обрабатывают шатунные шейки, и токарный для предварительной обработки противовесов. Установленный на третьем участке фрезерный станок фирмы ”ФДФ Берингер” (VDF Boehringer') (ФРГ) предназначен для фрезерования шатунных шеек, а токарный станок с ЧПУ типа CNC — для обработки торцовых поверхностей коленчатого вала. Черновая обработка завершается на четвертом участке, где находятся токарный станок с ЧПУ и фрезерный.
Такая компоновка наиболее эффективна при создании специализированной линии станков. Рыночная конъюнктура для крупных дизельных двигателей достаточно стабильна и выпуск изделий, однажды запущенных в производство, продолжается в течение многих лет. Однако за это время в конструкции двигателей было осуществлено много небольших изменений, при реализации которых и проявились преимущества ГПС. В этом случае основной выигрыш от ее гибкости — возможность изготовления нескольких типоразмеров коленчатых валов на небольшом количестве станков и при незначительном числе обслуживающего персонала.
Совершенно другую по сравнению с вышеприведенной компоновку имеет ГПС фирмы ’’Ситроен” (Франция), установленная в г. Медон, вблизи Парижа. Она предназначена для изготовления опытных образцов деталей и узлов автомобилей партиями 1—50 шт. Как правило, все партии деталей, изготавливаемых на этой ГПС, отличаются друг от друга. По всем характеристикам и назначению ГПС представляет собой цех мелкосерийного производства. Исключение составляют лишь размеры изготавливаемых деталей — они находятся в достаточно определенных пределах. Так, площадь спутников составляет 800x800 мм, а размеры заготовок могут достигать
Рис. 5.9. Станочные участки в ГПС фирмы "Вольво” для обработки коленчатых валов дизельных двигателей, обслуживаемые портальным загрузочным устройством:
1 — зона подачи заготовок в ГПС; 2 — промежуточный накопитель
500X500X500 мм. Минимальный цикл обработки деталей равен 10 мин.
В состав ГПС входят два пяти координатных многоцелевых станка ’Траффенштаден” (возможно добавление третьего), обслуживаемых робокарами. Для мойки деталей используют робот ’’Кремлин”. В ГПС включены также управляемая от
Рис. 5.10. ГПС фирмы ’’Ситроен” с автоматической доставкой заготовок и инструментов по коротким транспортным маршрутам:
1 — инструментальный ма
газин; 2 — участок предварительной настройки инструментов; 3 — участок подготовки заготовок; 4 — накопитель спутников; 5 — туннель для очистки от СОЖ и стружки; 6 — машинный зал; 7 — контрольноизмерительная машина; 8 — моечная машина
ЭВМ координатно-измерительная машина ”Сейв”, участки для настройки инструментов и подготовки спутников. ГПС имеет прямоугольную форму. Станки и склад для хранения спутников имеют однорядное расположение, причем склад своей продольной стороной располагается поперек ГПС. Накопитель инструмента, моечная и координатно-измерительная машины, также расположенные в один ряд, находятся на противоположной стороне ГПС.
Для обеспечения работы ГПС в третью смену без обслуживающего персонала предусмотрен склад для хранения 56 спутников. В две остальные смены загрузка и снятие заготовок со спутников производится двумя операторами на шести подготовительных позициях. Кроме того, предусмотрена установка в ряд 15 спутников, которые робокары перевозят при необходимости непосредственно к пристаночным устройствам автоматической смены спутников (рис. 5.10, 5.11).
Для обеспечения обработки большого количества типоразмеров заготовок каждый входящий в ГПС многоцелевой станок оснащен инструментальным магазином на 50 инструментов. Кроме того, имеется инструментальный склад на 600 инструментов, доставка которых производится автоматически. Это производится следующим образом. Сперва манипулятор передает инструменты с инструментальных стоек на инструментальный магазин барабанного типа. Этот магазин, рассчитанный на 20 инструментов, горизонтально установлен на робокаре. После заполнения магазина робокар перевозит его в
Рис. 5.11. ГПС фирмы ’’Ситроен” с доставкой заготовок с передней стороны станков и подачей барабанных инструментальных магазинов с задней стороны
зону, расположенную за многоцелевым станком, откуда другой манипулятор передает эти инструменты непосредственно в инструментальный магазин станка. Тем же манипулятором использованные инструменты из этого магазина были заранее изъяты и переданы во второй барабанный инструментальный магазин. Манипулятор также переносит инструменты на тележку для их дальнейшей транспортировки на инструментальный склад. Эти операции могут быть выполнены во время работы станка.
Для небольшой ГПС такая система инструментального обеспечения очень заманчива, поскольку позволяет устранить ручную смену инструментов. В то же время она требует применения большого количества дополнительного оборудования. В качестве варианта можно использовать установку на станках сменных инструментальных магазинов барабанного типа, но это приводит к значительному усложнению компоновки ГПС в связи с большой массой этих магазинов. В целом же общая компоновка ГПС получается настолько компактной, что в ней остается дополнительное место еще для одного станка. Кроме того, если потребовалось бы увеличить производительность ГПС, то дополнительные станки теоретически можно было бы разместить и с другой стороны склада спутников. Станки в этой ГПС расположены не слишком близко друг к Другу, поэтому для перевозки инструментов и заготовок рекомендуются отдельные маршруты. Безусловно, при создании такой системы практически целесообразно сперва установить станки, а затем постепенно добавлять к ним другое оборудование до тех пор, пока запланированная ГПС не достигнет своего полного объема.
ГПС, установленные японскими фирмами ’’Мурата” и ’’Мори Сейки”, полностью отличаются от описанных выше. Обе системы предназначены для обработки деталей незначительных размеров, например типа рычагов, кронштейнов и небольших корпусов, и базируются на использовании крупных многоярусных складов с системой автоматического складирования и поиска. ГПС фирмы ’’Мурата” представляет интерес для многих фирм своим расположением в углу существующего помещения цеха. Первоначально три многоцелевых станка горизонтальной компоновки были установлены вдоль проезда перпендикулярно группе из расположенных в ряд четырех многоцелевых станков вертикальной компоновки. Многоярусный склад с системой автоматического складирования и поиска служил продолжением группы из четырех станков. Вблизи этого склада располагался подготовительный участок (рис. 5.12).
Каждый многоцелевой станок ГПС оснащен двухпозиционным устройством автоматической смены спутников. Два робокара курсируют между складом, подготовительным участком и станками. Поскольку цикл обработки деталей невелик, то для его увеличения до рационального такта 20 ... 40 мин на одном спутнике устанавливают до 12 деталей. В этом случае маршруты робокаров значительно сокращаются.
И все же осуществление потока материалов остается для этой ГПС довольно сложной задачей. Заготовки доставляют
Рис. 5.12. Компоновка ГПС фирмы ’’Мурата” на базе многоярусного склада 7 с автоматическим складированием и поиском:
1 — устройство автоматической смены спутников; 2 — система робокаров; 3 — робокар; 4 — участок механической обработки; 5 — участок доставки заготовок на склад; б — кран-штабелер; 8 — конвейер готовых деталей; 9 — подготовительный участок
в приемную зону склада, расположенную вблизи подготовительного участка. Вспомогательная тележка, рассчитанная на транспортировку двух спутников или двух заготовок, доставляет заготовки в соответствующие ячейки склада, в последующем извлекает из этих ячеек заготовки или спутники и передает их на подготовительный участок. Далее операторы закрепляют заготовки на спутниках, грузят собранный комплект (из заготовки и спутника) на тележку, которая перевозит их на передаточные участки склада (рис. 5.13).
Основной кран-штабелер, перемещающийся по центральному проезду, переносит спутники с заготовками на стеллажи склада, а затем по мере необходимости снимает их и устанавливает на загрузочную позицию в конце склада, откуда робокар перевозит спутники к одному из станков. Готовые детали доставляют на тех же спутниках на подготовительный участок, где детали очищают от стружки, удаляют с них заусенцы и вручную снимают со спутников. Затем детали вновь отправляют в ячейки склада, где они хранятся до тех пор, пока не понадобятся для сборки. Когда этот момент наступает, вспо-
Рис. 5.13. Доставка полуфабрикатов, заготовок и спутников, а также готовых деталей к стеллажам и со стеллажей склада с помощью вспомогательной тележки:1 — станок с ЧПУ типа CNC\ 2 — устройство автоматической смены спутников; 3 — станция ожидания; 4 — кран- штабелер; 5 — вспомогательная тележка; 6 — подготовительная станцияРис. 5.13. Доставка полуфабрикатов, заготовок и спутников, а также готовых деталей к стеллажам и со стеллажей склада с помощью вспомогательной тележки:1 — станок с ЧПУ типа CNC\ 2 — устройство автоматической смены спутников; 3 — станция ожидания; 4 — кран- штабелер; 5 — вспомогательная тележка; 6 — подготовительная станция
Рис. 5.13. Доставка полуфабрикатов, заготовок и спутников, а также готовых деталей к стеллажам и со стеллажей склада с помощью вспомогательной тележки:
1 — станок с ЧПУ типа CNC\ 2 — устройство автоматической смены спутников; 3 — станция ожидания; 4 — кран- штабелер; 5 — вспомогательная тележка; 6 — подготовительная станция
Рис. 5.13. Доставка полуфабрикатов, заготовок и спутников, а также готовых деталей к стеллажам и со стеллажей склада с помощью вспомогательной тележки:
1 — станок с ЧПУ типа CNC\ 2 — устройство автоматической смены спутников; 3 — станция ожидания; 4 — кран- штабелер; 5 — вспомогательная тележка; 6 — подготовительная станция
могательная тележка забирает требуемые детали и доставляет их на выходной участок. Несмотря на сложность транспортной системы, необходимости в длительных перемещениях тележек не возникает. За время, прошедшее после ввода в эксплуатацию первой очереди этой ГПС, при незначительном увеличении производственной площади, количество установленных в ней станков увеличилось до 10.
Особенность ГПС фирмы ’’Мори Сейки”, также предназначенной для обработки небольших деталей, состоит в том, что из 13 входящих в нее многоцелевых станков девять установлены в одном ряду, а четыре — в другом, на значительном расстоянии от многоярусного склада с системой автоматического складирования и поиска. Каждый станок оснащен двухпозиционным устройством автоматической смены спутников, загружаемых с помощью робокаров. Цикл обработки на станках составляет примерно 30 мин. Заготовки доставляют от главного склада на подготовительный участок, где их вручную устанавливают на спутники.
В рабочие смены, обслуживаемые операторами, большую часть заготовок транспортируют непосредственно с подготовительного участка на станки. В то же время операторы устанавливают часть заготовок на спутники, которые поступают в накопительный склад, расположенный рядом с главным. При работе без обслуживающего персонала тележки доставляют заготовки к станкам из накопительного склада, размеры которого в этом случае могут оставаться небольшими, а маршруты транспортирования заготовок в дневную и вечернюю смены тем самым упрощаются (рис. 5.14).
Если многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском предполагают использовать в ГПС в качестве основного элемента системы складирования и манипулирования, то в таких случаях в ГПС иногда практически целесообразно вообще ликвидировать робокары. В качестве базового компонента ГПС может служить, например, длинный узкий склад, в котором доставка заготовок и удаление готовых деталей производятся из одного и того же участка. Кран-штабелер загружает поступающие заготовки на стеллажи склада с любой стороны его центрального проезда. Кроме того, некоторые стеллажи служат в качестве передаточных станций. Эти станции находятся вблизи механических или сборочных участков.
Задача крана-штабелера состоит не только в перемещении заготовок между позицией загрузки-разгрузки и стеллажами склада, но и в их загрузке-разгрузке на передаточных станциях. Для перемещения заготовок с передаточной станции,на Станок используют робот. Чтобы кран-штабелер получил возможность перемещения один раз за цикл обработки между 78
всеми станками ГПС, на спутниках должно находиться достаточное количество заготовок. Кроме того, в ГПС сохраняется необходимость ручной установки заготовок на спутники. Эта установка производится на подготовительном участке.
Такая компоновка принята для ГПС фирмы ’’Накамура Томе пресижн индастриз” (Япония). Для обслуживания пяти входящих в ГПС роботизированных технологических комплексов, созданных на базе двух токарных обрабатывающих центров, многоцелевого, кругло- и плоскошлифовального станков, в складе предусмотрено 543 стеллажа. Все станки оснащены ЧПУ типа CNC и обслуживаются роботами модели М-1 фирмы ’’Фанук”. Несмотря на небольшие размеры заготовок, цикл их обработки достаточно длителен. В результате за 24 ч работы ГПС изготовляет всего 40 деталей.
Практически после загрузки всех спутников заготовками, количества которых на спутнике достаточно не менее чем на 30 мин обработки, этими заготовками можно манипулировать одним краном-штабелером. Нормальным считается такое положение, при котором детали на одном спутнике обрабатываются, а на втором дожидаются своей очереди на обработку. Такая компоновка принята в ГПС шведской фирмы ВТ, установленной на заводе в г. Мельби (рис. 5.15).
Использование этой компоновки позволяет не только сэкономить производственную площадь и ликвидировать потребность в робокарах, но и дает возможность (если это было предусмотрено при проектировании ГПС) расширить ГПС наиболее простым способом — путем удлинения склада или преобразования его в трехъярусный с двумя проездами. В этом случае каждый кран-штабелер получит возможность установки заготовок на стеллажи с обеих сторон складского проезда. Однако их доставка на передаточные станции может производиться только с одной стороны.
Безусловно, здесь промышленные роботы и обрабатывающие комплексы следует размещать вблизи склада, однако обычно в ГПС для механической обработки многоцелевые станки слишком близко друг от другане устанавливают. Поскольку для размещения оборудования в ГПС требуется значительно меньше производственной площади, чем для размещения обычного оборудования той же производительности, то в этом случае не следует экономить на мелочах. Важнее оставить достаточно места для уборки стружки, обеспечить бесперебойный поток заготовок к другим станкам и предусмотреть доступ для обслуживания оборудования. Кроме того, целесообразно оставить около станка определенное пространство для возможного размещения там дополнительных инструментов. Особенно важно это предусмотреть на этапе проектирования ГПС. Например, в ГПС фирмы ’’Окума”, установленной 80
5 в о СП д в о в о 3
СП ф ко
2 о X о 3 о в
3
2 ф 3 и ф
д X
2 S X
8 § Й 2 о н в л
aS
д>> ф • ■
>5 Ф В В о
К У
>3 О и в о
X о 5
’3
к л и А
5 д
и о СП 3 д о
и ф В
X о в л
>3 о в
з й 9 5» е ’§ »? | К 2 I О
M о
2
3 о X о о
Л с М |
о в СП 3 & в
о (x о в
д s
aS
Ф
ф
w' о 5 2
з со о В
д ф
5
«а
9* О ко
2
0 i
3 1
д
s о
Co
2 Уф о
Шй
н ° й * 55 ко ф 2 2
i4h
о ь о в о
>» д к о ё
Ф
колвё
л X в о и о в 2 о к
16
16
s
Ф
и
3
к д д 2
В л в
<4
д ф
>5 Ф В В о
>3 2 в о X 3 § д
з 3
3 §
Л и о в >»
о ко о
ф о X о ф У
е й V В
2 3
ф У 3 н л 2 о
л в
>32
5 ^ в о ё и
2
3
д ф
>3фв
5
X ^
л8
2 ф о и д в л и о
а ^о >>
3 X в о и о в 2 о X
>5 о и
д
§
ф в о 2
о ко о
о (х о и 2
к 3 и ф в
д в
>»
1 5о 8
в г. Огути, около каждого многоцелевого станка расположен стол, служащий промежуточным накопителем заменяемых вручную инструментов.
При обработке крупногабаритных деталей обычно применяют рельсовые тележки, перемещающиеся вдоль одного или двух рядов многоцелевых станков. Решающим фактором является здесь выбор компоновки станков (вертикальной или горизонтальной). В целом чаще применяют станки горизонтальной компоновки, обладающие большей гибкостью. Многие разработчики предпочитают создавать ГПС только из станков горизонтальной компоновки, допуская при этом переустановку заготовок между операциями. Станки вертикальной компоновки в ГПС используют реже. В настоящее время некоторые станки горизонтальной компоновки в целях повышения гибкости оснащают по заказу переходными устройствами для установки вертикальных шпинделей.
Иногда в ГПС комбинируют станки вертикальной и горизонтальной компойовок. Так, в первой ГПС, установленной фирмой ’’Ямадзаки” и имеющей расположенные в два ряда многоцелевые станки, группа из восьми станков в одном ряду имела горизонтальную компоновку; в другом ряду горизонтальную компоновку имело лишь три станка, а у остальных семи компоновка была вертикальной. В результате эксплуатации этой ГПС было установлено, что необходимость в обработке боковых сторон заготовок возникала во втором ряду станков гораздо чаще, чем ожидалось. Это привело к возникновению узких мест, и в итоге при установке фирмой ’’Ямадзаки” ГПС на предприятии в г. Минокамо почти во всех случаях были использованы станки горизонтальной компоновки.
Интересную компоновку имеет ГПС фирмы ’’Андерсон Стратклайд”, установленная в г. Мазервел (Великобритания). ГПС предназначена для обработки крупногабаритных деталей типа коробок передач, корпусов и стрел для шахтного оборудования, Входящие в эту ГПС шесть многоцелевых станков фирмы ’Тиддинго энд Льюис фрезер” установлены в один ряд и предназначены для осуществления различных функциональных задач. На двух станках производят черновую обработку и на трех — чистовую. Последний, шестой в ряду станок предназначен для выполнения специальных работ — горизонтальной расточки, подрезки торцов и контурной обработки.
Для транспортирования к станкам крупногабаритных заготовок и их спуников применили робокар фирмы ’’Теллус” грузоподъемностью 7 т. Этот робокар оснащен толкателем для загрузки заготовок на столы станков. Поскольку длительность циклов обработки составляет примерно 30 ... 80 ч, промежуточные накопители в этой ГПС не предусмотрены. Поэтому для планирования этих циклов потребовалось принять оп- 82
ределенные меры. Так, например, в связи с необходимостью нескольких переустановок заготовок цикл обработки каждой из них делят на несколько подциклов длительностью по 2 ч. Рациональность такого деления состоит в том, что оно упрощает разработку всей программы обработки и упрощает прерывание ее цикла для срочного введения другого заказа.
Специалисты фирмы ’’Андерсон Стратклайд” запланировали возможность заготовок на подготовительный участок для переналадки после завершения каждого подцикла обработки. В связи с тем, что определенное количество переналадок неизбежно, длительность подциклов очень мала и составляет всего лишь 2,5 ... 7% от общего времени обработки. Так, при шести станках операторам придется выполнять переналадку на каком-нибудь из них через каждые 20 мин. При таких коротких интервалах между переналадками и при возможном переоснащении инструментальной оснастки не может быть достигнута оптимизация использования оборудования. Кроме того, обслуживающего персонала требуется больше, чем потребовалось бы в других случаях. На каждую смену, например, нужно по 12 операторов.
Большую длительность цикла обработки крупногабаритных деталей следует использовать для получения максимального коэффициента использования оборудования и обеспечения работы ГПС без обслуживающего персонала. В данном случае из-за необходимости некоторого вмешательства оператора на специальном многоцелевом станке и ручной смены инструментов на нем возможность работы без обслуживающего персонала нельзя считать реальной.
В отличие от ГПС фирмы ’’Андерсон Стартклайд” в ГПС фирм ’’Мори Сейки” и ’’Ямадзаки” крупногабаритные заготовки остаются установленными на станках столько, сколько это практически необходимо. Так, в ГПС фирмы ’’Ямадзаки” крупные станины массой до 25 т обрабатывают на пятикоординатном многоцелевом станке и плоскошлифовальном станке для шлифовки направляющих, оснащенном ЧПУ типа CNC. Среднее время обработки составляет 16 ч. Многоцелевой станок может работать без обслуживающего персонала в течение 20 ч. На фирме ’’Мори Сейки” входящие в ГПС десять пятикоординатных фрезерных станков с циклом обработки 6 ... 7 ч обслуживаются вручную. Однако станки могут работать без обслуживающего персонала почти целую смену (рис. 5.16).
Для получения эффективных компоновочных решений входящие в ГПС станки следует выбирать таким образом, чтобы свести к минимуму количество их переналадок, одновременно согласуй время транспортировки заготовок с циклом их механической обработки. Безусловной, при возникновении каких-либо сбоев нетрудно включить в транспортный поток
Рис. 5.16. Многопозиционные инструментальные магазины, сокращаю-щие количество переналадок
дополнительные робокары, например, с индуктивным управлением, если именно они были первоначально выбраны в качестве транспортных средств.
Несмотря на то, что конвейеры и рельсовые тележки обладают значительно меньшей гибкостью по сравнению с робокарами, фирма ’’Бразер индастриз” для ГПС по обработке корпусов швейных машин выбрала компоновку, основанную на применении рельсовых тележек. Данная ГПС, которую нельзя назвать таковой в строгом смысле слова, включает 14 фрезерных и девять сверлильных станков с ЧПУ типа CNC. Перед этими станками, расположенными в два ряда, находится группа из шести специальных станков для выполнения четырех фрезерных и восьми сверлильных операций. Всего на станках с ЧПУ типа CNC выполняется 65 фрезерных и 255 сверлильных операций с циклом обработки 5 мин. Поскольку цикл обработки на специальных станках составляет 3 мин, в этой ГПС существует проблема взаимного согласования двух циклов. Всего в ГПС входит три ряда станков, расположенных вдоль S-образного рельсового пути. Вместе с машинным залом она занимает 650 м2 производственной площади.
Заготовки перемещаются по станкам ГПС в определенной последовательности, аналогично их перемещению в автоматических линиях. Шпиндели станков ориентированы параллельно рельсовому пути. ГПС разделена на несколько основных участков. Каждому из этих участков придано по три рельсовые тележки, оснащенные автоматическими загрузочными ус- 84
тройствами. Однако тележка обслуживает три — четыре станка. У двух соседних тележек имеется возможность взаимного перекрытия диапазона их действия и обслуживания одного и того же станка с разных сторон. Для загрузки заготовок на станки служат телескопические руки автоматических загрузочных устройств, у станов ленных на тележках. Руки выдвигаются, обеспечивая соответствующий наклон для установки заготовок в требуемое положение. При такой системе предусмотрено осуществление короткого цикла обработки при достаточно широкой номенклатуре. Ежедневно обрабатываются пять различных моделей корпусов, обычно партиями 25 50 шт. За 12 ч работы ГПС выпускают примерно 120 корпусов (рис. 5.17).
Приведенные примеры показывают, что выбор компоновочного решения ГПС зависит преимущественно от номенклатуры, цикла обработки и размеров деталей. Рекомендуется закладывать в ГПС большую номенклатуру, чем предполагалось вначале, поскольку по мере совершенствования изделий их детали имеют тенденцию к увеличению размеров и сложности. В цехах мелкосерийного производства по производительности ГПС требуется большая гибкость, но в любом случае компоновочные решения должны обеспечивать упрощение потока материалов и удлинение циклов обработки с тем, чтобы сократить время, требуемое на переналадку. Кроме того, в компоновке ГПС для ее дальнейшего расширения должен быть заложен некоторый резерв в области оборудования для
Рис. 5.17. ГПС фирмы "Бразер индастриз" (для перемещения заготовок между станками служат автоматические загрузочные устройства с телескопическими "руками”)
механической обработки, складирования и транспортирования.
Хотя инструментальное хозяйство ГПС рассматривается отдельно (см. гл. 8), нужно отметить, что методы смены инструмента могут оказать определенное влияние на компоновку ГПС. С одной стороны, слишком большая экономия в расходах на инструментальное обеспечение может привести к завышенному объему ручных операций при подготовке инструментов, в то время как по возможностям остальных участков ГПС может продолжительное время работать без обслуживающего персонала. С другой стороны, изготовителю станочного оборудования для ГПС нетрудно убедиться в том, что наличие устройств автоматической смены инструмента, многоярусных инструментальных стеллажей и автоматических устройств смены кулачков зажимных патронов — это гарантия эффективной работы ГПС. Для точного выбора потребности в инструментах требуется тщательное изучение потока материалов, на основании которого можно в дальнейшем прийти к компромиссному решению.
Если потребуется какое-либо вмешательство оператора, нужно обеспечить возможность его осуществления только в течение смены с обслуживающим персоналом. Оборудование в ГПС следует размещать таким образом, чтобы операторы имели возможность доступа к станкам сзади, не вызывая трудностей в работе транспортной системы. В» перспективе смена инструмента должна быть автоматизирована, что нужно принимать в расчет при компоновке и разработке инструментальных головок станков.
Проблемы, возникающие при разработке компоновок ГПС, не должны препятствовать осуществлению основных целей, которые стоят перед внедрением ГПС в целом. К ним относятся необходимость круглосуточной работы ГПС, резкое сокращение производственного цикла при одновременном сведении к минимуму количества обслуживающего персонала и обеспечение тщательного контроля за потоком материалов по всему производственному циклу. Компоновочное решение может оказать значительное влияние на характеристики потока материалов и объем вмешательства операторов. Хотя в начальный период желательно эксплуатировать новую ГПС лишь в одну смену, в дальнейшем необходимо постепенно увеличивать ее загрузку, достигая конечной цели — круглосуточной работы без обслуживающего персонала.
ГЛАВА 6. ОГРАНИЧЕНИЯИ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
РОБОКАРОВ И СКЛАДСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ В ГНС
Известно, что создание для ГПС хорошо организованной комплексной транспортной системы, основанной на использовании робокаров, способствует сокращению производственных расходов. Не секрет также, что большой урон промышленности наносят именно скрытые косвенные расходы, к которым относятся излишний объем незавершенного производства, крупные запасы материалов и комплектующих изделий, широкая номенклатура транспортных средств, а также вспомогательная рабочая сила, необходимость в наличии которой недостаточно обоснована.
По одной из оценок, примерно четверть валового национального продукта Великобритании может быть тем или иным способом связана с незавершенным производством. Исследования, проведенные в Швеции, показали, что с внедрением ГПС и робокаров общую стоимость складских запасов в стране можно сократить более чем на 5 млрд. ф. ст. Кроме того, 1 млрд. ф. ст. можно сэкономить благодаря повышению эффективности загрузочно-разгрузочных и транспортных операций между производственными подразделениями, а также в результате более строгого соблюдения технологической дисциплины.
Безусловно, на предприятиях не существует одинаковых ситуаций и все же избыточные запасы везде являются важнейшей причиной высоких производственных расходов. Наличие этих запасов вскрывает также неэффективность производства, обусловленную несоответствием выбираемого оборудования и приводящую к получению большого количества брака. Многоярусных складов с автоматическим складированием и поиском, обеспечивающих надежное управление запасами, пока еще недостаточно, поэтому управление запасами носит случайный характер . Известно, что склады сами по себе не могут в цеховых условиях обеспечить управление незавершенным производством. Этими возможностями обладает лишь полностью интегрированная транспортная система.
Даже при достаточно эффективном управлении материально-производственными запасами настроение операторов и водителей вилочных погрузчиков может оказать большее влияние на объем незавершенного производства в цеху, чем самый точный анализ производственных требований. В случае отсутствия места для спутника водитель может, оставив спутник в другом месте, забыть сообщить об этом по окончании смены. Бывает, что такие забытые спутники неделями лежат невостре-
бованными. Кроме всего прочего, спутники и заготовки иногда падают и получают повреждения.
Исследования режима работы водителей вилочных погрузчиков показали, что существует три основные причины ее неэффективности. Во-первых, в начале смены водители ожидают мастера для получения дневного задания. Во-вторых, когда они понимают, что сумеют выполнить это задание быстрее, чем от них ожидалось, то стремятся замедлить темпы работы. Одна из причин этого — опасение получить следующее задание менее выгодное, чем предыдущее. В-третьих, в конце смены стимул к работе уменьшается независимо от степени ее завершения. В условиях многбноменклатурного производства руководство не всегда имеет четкое представление о времени, требующемся на выполнение данного задания. Поэтому если неожиданно возникает необходимость в дополнительном времени на выполнение какой-либо работы оно склонно винить в этом оператора, считая, что тот намеренно ее затягивает. При этом руководство полагает, что объем работы, выполненной в предыдущий день, аналогичен объему, выполняемому в нынешний. Практически же необходимость в дополнительном рабочем времени возникает достаточно часто.
Другими словами, даже если какой-то узел и проходит по четко отлаженной сборочной линии с контролируемой скоростью, поставка на линию других деталей и управление этой поставкой носит в какой-то мере случайный характер. Ужесточение контроля за операторами не может явиться решением этой проблемы, поскольку часть вины здесь падает на руководство. Во всяком случае, при выполнении этих непроизводительных операций трудно в достаточной мере заинтересовать людей. Разумеется, всегда можно внести какие-нибудь усовершенствования, но человеческая натура изменениям, как правило, не поддается. Вот почему работающая по точному графику автоматизированная транспортная система обеспечивает значительное сокращение производственных расходов (рис. 6.1).
Даже специалистам, сомневающимся в ценности внедрения ГПС, приходится на своих предприятиях планировать их установку с учетом применения робокаров. Комплексная система робокаров, предназначенная для транспортирования заготовок и других компонентов, окупится при изготовлении почти любого изделия. Известно, что для приобретения практического опыта эксплуатации ГПС в большинстве случаев нужно первоначально установить небольшую систему. Это требование не столь важно при внедрении системы робокаров. Безусловно, перед ее установкой потребуется проведение большого объема работ по планированию и моделированию, для чего необходимо знание существующих принципов выполнения производственных процессов. Однако одно из преимуществ робока-
Рис. 6.1. К сокращению производственных расходов в результате применения робокаров и многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском:
1 — участок механической обработки; 2 — участок подготовки заготовок; 3 — склад заготовок; 4 — станция управления; 5 — склад инструментов; 6 — экономия производственной площади, транспортных и производственных расходов
ров (как со свободным направлением маршрута, так и индуктивных) в том и состоит, что при изменении компоновки предприятия перемена маршрутов не представляет для них особых трудностей.
Обычно в ГПС применяются транспортные устройства без перегрузочных устройств, т.е. тележки, не оснащенные системами вилочного подъема. В этом случае спутники транспортируются установленными по высоте на уровне, одинаковом у тележки рабочих позиций станков. Иногда целесообразно применение самоходных тележек с вилочным подъемом, однако в большинстве случаев при разработке транспортных систем ГПС выбор существует между робокарами с произвольным направлением маршрута, робокарами с индуктивным управлением рельсовыми тележками и конвейерами.
Фактически конвейеры представляют собой элемент жесткой автоматизации транспортного процесса. Однако они все еще продолжают применяться при непрерывном производстве небольших узлов с незначительным циклом обработки (от нескольких секунд примерно до минуты). В настоящее время наиболее широко используют тяговые конвейеры, однако в некоторых случаях начинают применять конвейерные тележки с приводом от линейных электродвигателей. Безусловно,
конвейер, оснащенный линейными двигателями, представляет в сущности совокупность небольших рельсовых тележек. Для таких конвейеров характерны рабочие скорости, равные 240... ...500 м/мин, что в 10 раз превышает скорости эквивалентных по прочим характеристикам робокаров.
Для транспортирования более крупных деталей нужно выбирать какой-либо тип робокара. Приходится считаться с тем, что конвейеры занимают очень много производственной площади и включают, особенно при наличии поворотных столов и необходимости передачи заготовок между параллельными конвейерами, большое количество быстроизнашиваемых и ломающихся деталей. Очевидно, что остановка конвейера приводит к простою всей транспортной системы, тогда как при выходе из строя одного робокара большая часть транспортной системы продолжает функционировать. Кроме того, конвейеры ограничивают доступ операторов к станкам. На каждом конвейере неизбежно скапливается какой-то объем незавершенного производства и для выполнения срочного заказа нередко приходится обходить жесткую транспортную систему с помощью автопогрузчика с вилочным захватом. Кроме того, для конвейеров необходимо применение загрузочных устройств, а на робокарах погрузочно-разгрузочные операции производятся автоматически.
По функциональным возможностям наиболее близкой к конвейеру является рельсовая тележка, однако ее гибкость значительно выше, чем у конвейера. В последнее время изготовлением этих тележек занялась фирма ’’Роувак Отомейшн”— филиал фирмы КТМ, выпускающая простые и сравнительно недорогие тележки модели Roeuatran с конструкцией, типичной для этого вида транспортных тележек. Они обладают достаточно высокой точностью подвода и позиционирования. Кроме того, электрическое питание рельсовых тележек этой фирмы может производиться от сети, что сокращает их массу и уменьшает расходы на эксплуатацию, а также упрощает ежедневное обслуживание.
Тележка перемещается по стальным рельсам, прикрепленным к полу цеха. Для направления ее роликов служит центральный рельс. Тяговое усилие тележки обеспечивает подключенный к сети электродвигатель постоянного тока. Загрузочно-разгрузочное устройство имеет гидравлический привод. При подъезде к рабочей позиции станка тележка считывает установленные на полу цеха кодовые пластины, и ее управляющее устройство останавливает тележку на соответствующей позиции (рис. 6.2).
Ускорение и замедление рельсовых тележек происходит, как правило, быстрее, чем у робокаров, что делает их более пригодными для перемещения очень тяжелых деталей. Кроме
Рис, 6.2. ГПС фирмы ’’Ямадзаки” с рельсовой тележкой, оснащенной устройством передачи спутников
того, с помощью программируемых контроллеров (командо- аппаратов) легко обеспечить увязку транспорта со старыми станками без ЧПУ. Тележки имеют задний и передний ход, а поскольку небольшие расстояния они проезжают достаточно быстро, то общее время их перемещений нередко может быть значительно меньше, чем у робокаров. Таким образом, оптимальная комбинация скорости и коротких маршрутов может в отдельных случаях сделать практически целесообразным применение в некоторых ГПС рельсовых тележек, количество которых при выполнении одинакового объема функций будет меньшим, чем робокаров.
Однако рельсы на полу цеха нельзя рассматривать иначе как неподвижный элемент системы, а рельсовые тележки обычно могут перемещаться по ним только по прямой. В то же время робокары с индуктивным, управлением имеют возможность поворота на 90°, а некоторые даже на 360° (полный поворот вокоуг собственной оси). Обычно индуктивный кабель размешают в полу цеха в узких траншеях шириной 3 ... 10 мм на глубине 10 ... 200 мм. Стоимость прокладки такого кабеля на работающем предприятии может достигать 20 ф. ст. за метр.
Индуктивное управление робокарами обеспечивается подаваемым по индуктивному кабелю переменным током низкой частоты. Вокруг кабеля возникает концентрическое электромагнитное поле. На робокаре установлены две откло-
няющие катушки, регистрирующие напряжение, подаваемое на управляющее устройство робокара. Для сохранения постоянства перемещения робокара вдоль кабеля управляющее устройство непрерывно воздействует на управляющий двигатель, с тем чтобы устранить разность напряжений между двумя катушками.
Применяют робокары с тремя, четырьмя, а в настоящее время и с восемью колесами. Хорошая маневренность трехколесных робокаров, обычно используемых для перевозки малогабаритных легких грузов, достигается за счет установки одного (переднего) колеса на поворотной люльке. У четырехколесных робокаров, применяемых для перевозки крупных и тяжелых грузов, ведущими являются все колеса, но для получения большей грузоподъемности и маневренности робокаров предусматривают дифференциальное управление колесами. Два ведущих колеса расположены посредине робокара, по обе ее стороны, а сзади и спереди имеются свободно вращающиеся опорные ролики. Для обеспечения управления робокаром ведущие колеса вращаются с различными скоростями. Разумеется, робокары с четырьмя ведущими колесами или с дифференциальным управлением двумя колесами имеют одинаковую возможность осуществления переднего или заднего хода (рис. 6.3).
На некоторых робокарах устанавливают систему управления по световому лучу. Луч освещает выполненную на полу цеха флюоресцирующую полосу или уложенную на нем флюоресцирующую ленту. Фотодатчики регистрируют флюоресценцию и передают полученные сигналы на отклоняющие катушки робокара. Такие робокары применяют в конторских помещениях или сборочных цехах. Благодаря низкой стоимости установки и простоте изменения маршрута перемещения их рекомендуется использовать при любой практической возможности.
Рис. 6.3. Трехколесные робокары (а) и робокары с раздельным управлением колесами (6), обладающие хорошей маневренностью:
1 — ведущая ось, связанная с приводным электродвигателем; 2 — управляющий электродвигатель; 3 — опорный ролик; 4 — ведущее колесо; 5 — приводной электродвигатель
Для привода робокаров обычно используют электродвигатели постоянного тока. Высоких ускорений робокаров без одновременного использования для этого сильных токов на старте некоторые фирмы (например, ’’Юнгхайнрих”) добиваются с помощью электродвигателей со смешанным возбуждением. Скорости движения колеблются в диапазоне от 30 м/мин для небольших робокаров до 60 м/мин для большинства типов, используемых в механических цехах. Обычно в робокарах применяют электромагнитные тормоза, но в аварийных случаях приводные электродвигатели можно перевести в режим работы генераторов, что обеспечивает регенеративное торможение.
Кроме возможности перемещения робокара вдоль индуктивного кабеля нередко требуются сведения о его местонахождении и наличии груза. Для получения подобной информации в полу цеха в определенных местах устанавливают постоянные магниты. Такие места находятся, например, до пересечения трасс или непосредственно перед позицией загрузки- разгрузки. Для передачи управляющих сигналов пермещаю- щимся робокаром в пол цеха могут быть вмонтированы также переключаемые катушки.
Сигналы, поступающие на управляющее устройство робокара, могут вызвать замедление его движения вплоть до ползучей скорости, его остановку или перемену направления движения. Для подачи сигналов к началу движения в обратном направлении на тележке можно включить бортовые магниты с тем, чтобы обеспечить переключение магнитов в полу цеха (рис. 6.4).
О наличии груза на робокаре сигнализируют фотоэлектрические датчики или конечные выключатели. Когда робокар прибывает на рабочую позицию станка, определить готовность к его приему можно с помощью датчиков другого типа, например инфракрасных. После приема сигнала о готовности позиции (станции) робокар разгружается, а по окончании загрузочно-разгрузочных работ производится дальнейший обмен сигналами о готовности тележки к перемещению.
Сигналы, например о начале движения или о сообщении местоположения робокара, обычно посылают на робокар индуктивно через стационарные передающие устройства. Для предотвращения столкновений на прямых участках трассы каждый робокар в свою очередь испускает ультразвуковые или прочие сигналы. Однако на пересечениях трасс так же, как, например, на городских улицах, необходимо внешнее управление робокарами, аналогичное тому, которое осуществляют светофоры, и при необходимости с приоритетными функциями.
Хотя рельсовые тележки и робокары с индуктивным уп-
Рис. 6.4. Характерные маршруты индуктивных робокаров:
1 — проверочная зона; 2 — загрузочная площадка
равлением кажутся подходящими для использования на большинстве предприятий, в настоящее время разрабатывают робокары с произвольным направлением маршрута, не требующие направляющих путей. Такие робокары представляются наиболее пригодными для ныне существующих предприятий, где трудно укладывать индуктивные кабели, или для горячих либо Вредных для здоровья цехов. В любом случае их дополнительная стоимость может быть скомпенсирована отсутствием необходимости прокладки индуктивных кабелей (и соответствующих затрат). В целом робокары с произвольным направлением маршрута можно считать достойными конкурентами робокаров с индуктивным управлением.
В робокаре модели Furtie (черепаха) фирмы ’’Дженерал электрик” (США) применили систему лазерного управления. Для измерения частоты вращения колес и соответственно положения робокара используют резольверы. Отраженный зеркалом лазерный луч поворачивается на 360° с тем, чтобы попасть в точно расположенные мишени с нанесенными на них отражательными штриховыми кодами.
Ширина импульса лазерного излучения, имеющего форму лопатки, составляет 5 мм. Этот импульс отклоняется от горизонтали вверх на угол, равный примерно 20° .
Возвращаясь от мишени, соосной с подаваемым импульсом, лазерный импульс отражается вниз и проходит через фильтр на большой светодиод. Затем сигнал, полученный от светодиода, усиливают в электронном усилительном блоке с тем, что- 94
Рис. 6.5. Робокар с лазернымуправлением, позволяющимисключить все направляю-щие трассы
бы воспроизвести штриховой код, используемый затем для контроля позиции робокара (рис. 6.5).
В робокаре, разрабатываемом Лондонским
государственным колледжем, используют аналогичный прин
цип управления, но здесь с помощью лазера сканируют три фотоприемника, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга, а для расчета позиции робокара используют специальный процессор, расположенный в его управляющем устройстве. Преимущество робокаров с произвольным направлением маршрута наряду с ликвидацией необходимости в управляющих кабелях состоит также в возможности бесступенчатого регулирования скоростей движения, причем перемещения как вперед, так и назад выполняются без установки дополнительных датчиков. К тому же высокая точность позиционирования таких робокаров достигается без помощи специальных фиксаторов.
По расчетам фирмы ’’Дженерал электрик”, экономический эффект от применения робокаров с произвольным направлением маршрута достигается при их количестве менее 20 и совокупном перемещении свыше.500 м.
В настоящее время робокары получили наиболее широкое применение. Их преимущества очевидны для многих областей. Точность предварительного позиционирования робокаров находится обычно в пределах 10 мм по отношению к требуемой позиции. Однако встраивая в робокары стойки с отверстиями под фиксаторы, обеспечивают точность его доведения примерно до ± 1 мм. Эта точность достигается при совмещении отверстий стоек с коническими фиксаторами, устанавливаемыми по
трассе на полу цеха.
Для загрузки робокаров применяют несколько различных систем. Простейшая из них — встроенный гидравлический подъемник. Робокар с опущенной платформой входит между двумя опорными направляющими спутниками, затем приподнимает платформу, чтобы снять спутник с направляющих, и выходит обратно. Такая система пригодна для транспортирования спутников со складов на подготовительные участки или к промежуточным накопителям, но практически неприменима при наличии на станках устройств автоматической смены спут-
Рис. 6.6. Виды робокаров и передающих устройств:
1 — робокар с переменной высотой загрузки; 2 — стол с жестко установленным грузом; 3 — стол с перемещением груза по горизонтали;
4 — стол с подъемом груза; 5 — непосредственная установка спутника на станок
ников. Робокары могут быть также снабжены роликами, устанавливаемыми на их приемной площадке. Для перемещения спутника по этой площадке можно использовать ролики с приводом или без привода. В последнем случае требуется толкатель либо съемник. В робокар, транспортирующий спутники на станки, оснащенные устройствами автоматической смены спутников, следует встроить толкатель или съемник. Спутник можно снять с робокара также с помощью двух выдвигающихся направляющих. При наличии большого числа загрузочных позиций (как обычно бывает в ГПС) выгодно встраивать загрузочное устройство непосредственно в робокар (рис. 6.6).
Иногда на приемной площадке робокара достаточно места для двух спутников. В таком случае робокар может сперва снять обработанную деталь со стола станка, а затем переместиться вдоль станка для загрузки заготовки на тот же стол. Такая система приемлема при встраивании в ГПС станков старой конструкции, не оснащенных устройствами автоматической смены спутников. Если же станки оснащены этими устройствами, то робокар, рассчитанный на два спутника, можно применить для ускорения транспортирования, обеспечив его перемещение от подготовительного участка к двум станкам без за-
хода на подготовительный участок. Нередко рекомендуют также обычные робокары объединять с устройствами автоматической смены спутников.
Для повышения коэффициента использования робокаров, в частности с индуктивным управлением, некоторые специалисты рекомендуют оснащать их собственными роботами. Специалисты иследовательского института IP А в г. Штуттгарте (ФРГ) считают, что одного оснащенного роботом робокара достаточно для загрузки-разгрузки четырех токарных станков с ЧПУ типа CNC в роботизированном технологическом участке. Чтобы этот робокар смог справиться с загрузкой-разгрузкой всех станков, два станка оснащают карусельными промежуточными накопителями (тактовыми столами). Для облегчения загрузочно-разгрузочных операций на каждом из остальных двух станков предусматривают установку поворотной передней бабки с двумя зажимными патронами. В результате после каждого цикла обработки передняя бабка поворачивается так, чтобы ось одного патрона приняла вертикальное положение (причем сам. патрон вышел бы за пределы ограждения) , готовое для передачи заготовки, а другой патрон был бы в это время в позиции обработки. Несмотря на некоторую сложность такой системы, поворотные передние бабки находят практическое применение.
Разрабатываемый институтом другой робокар, на котором робот установлен совместно с инструментальной стойкой, получит, по-видимому, большее практическое применение. Аналогичный робокар, оснащенный роботом, изготовлен фирмой ’Тойода машин уоркс”. Он может обслуживать всю ГПС, исключая необходимость установки на каждом станке сменных инструментальных магазинов барабанного типа или многоярусных инструментальных складов (рис. 6.7), как описано в гл. 8.
Управление робокарами следует осуществлять от ЭВМ, но на начальном этапе внедрения ГПС без нее можно обойтись. Если ГПС включает, например, лишь несколько многоцелевых станков, подготовительный участок и инструментальный склад, то осуществление некоторых функций транспортирования можно поручить операторам. Заготовки могут быть доставлены на подготовительный участок, и оператор после установки одного спутника нажимает на кнопку, посылая сигнал на управляющее устройство робокара. После завершения каждой операции механической обработки станок посылает на робокар свой сигнал. Кроме того, местонахождение робокара можно определить, вмонтировав в пол цеха несколько постоянных магнитов и установив сигнальные станции.
Управление планированием маршрута робокара производится с помощью установленной на нем микро ЭВМ. Примене-
Рис. 6.7. Робокар с установленным на нем роботом, упрощающим загрузку, выгрузку и транспортирование инструментов:
1 — накопитель спутников с закрепленными на них заготовками; 2 — многоцелевой станок; 3 — инструментальный магазин; 4 — подвижный робот; 5 — спутник с установленными на нем инструментами
ние бортовой ЭВМ имеет несколько преимуществ. Во-первых, в связи с автономностью каждого уровня управления при отказе управляющей системы одного робокара другие будут продолжать перемещения по своим маршрутам. Во-вторых, при использовании робокаров не представляет сложности поэтапное повышение уровня автоматизации производства. Кроме того, в случае применения нескольких робокаров исключается необходимость осуществления дорогостоящей связи между их управляющими устройствами и центральной ЭВМ (рис. 6.8).
Для оптимизации работы ГПС центральная ЭВМ должна получать информацию о выполнении операций обработки на каждом станке и о моменте их окончания, чтобы скоординировать с этим моментом готовность робокара. Таким образом, цель оптимизации состоит в расширении автоматизированной транспортной системы на все предприятие с иерархическим распределением уровней и в объединении ее с системой календарного планирования производства. Следовательно, в ГПС для механической обработки транспортирование заготовок будет производиться непосредственно из многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском на соседний подготовительный участок. Робокары перевезут их (с заездом в промежуточный накопитель) к станкам, а после окончания обработки отвезут готовые детали на подготовительный участок для очистки и далее в окрасочный и сборочный цехи. Кроме того, при необходимости робокары могут транспортировать инструменты между станками и инструментальными складами. Ввиду небольшой массы инструментов и целесообразности использования для этой цели специального передаточного ус-
тройства обычно предпочитают применять небольшие робокары.
Для организации комплексного производства в центральную ЭВМ следует вводить требуемые данные календарного графика, что позволит изготовлять детали в правильной последовательности. Получив данные о результатах сборки, ЭВМ при необходимости может эту последовательность изменить, обеспечив, например, приоритет какому-нибудь срочному заказу.
При планировании загрузки робокаров в первую очередь планируют их маршруты, а затем потребное количество. В ГПС, где число перемещений робокаров невелико, это количество определить несложно. Так, для 20 многоцелевых станков с циклом обработки 2 ч требуется то же число перемещений робокаров, что и для пяти токарных станков со спутниками, рассчитанными на количество деталей с суммарным временем обработки 30 мин.
Возьмем, например, ГПС, включающую два токарных станка со спутниками, рассчитанными на определенное количество деталей с суммарным временем обработки 30 мин, и три мно-
Рис. 6.8. Варианты схем бортового управления робокаром:
1 — блок передачи эталонных и фактических данных; 2 — блок передачи фактических данных; 3 — блок передачи эталонных данных; 4 — устройство управления робокаром (УУР); 5 — блок управления маршрутом; 6 — центральный монитор; 7 — память вызова робокара; 8 — индикаторная панель вызова робокара; 9— пульт монитора; 10 —индикаторная панель отслеживания маршрута; И —кнопки вызова робокара по требованию оператора; 12 — блок управления маршрутом робокара;
13 — центральная ЭВМ; 14 — ЭВМ управления транспортом; 15 — ЭВМ управления производством
гоцелевых станка —■ два небольших с циклом обработки 1 ч и один более крупный с циклом обработки 3 ч. Допустим, что инструменты необходимо доставлять дважды в смену к небольшим многоцелевым станкам и раз в смену к остальным станкам. Следовательно, общее число перемещений робокаров за 24 ч составит
2(24X2) + 2(24X1) + [24х(1/3)] + 7= 159.
Если на одно перемещение требуется 8 мин, то на выполнение всех перемещений потребуется 1272 мин (или немногим более 21 ч). При ежедневном наличии в течение 21 ч одного робокара теоретически его достаточно для выполнения всех транспортных операций в ГПС. Однако на случай поломок и отказов обычно используют два робокара. К этому следует добавить, что наличие двух робокаров означает возможность перезарядки их аккумуляторных батарей непосредственно на месте, а также проведения при необходимости двух транспортных операций одновременно. Кроме того, один робокар может при необходимости вывозить заготовки и готовые детали за пределы цеха.
Чтобы установить, не простаивают ли станки в ожидании робокаров, можно составить график их перемещений. Для ГПС механической обработки такого графика вполне достаточно, поскольку в позиции ожидания на станке обычно находится один спутник. Поэтому критический срок доставки следующего наступает через определенное время в пределах по меньшей мере 10 ... 20 мин.
При рассмотрении практических примеров использования робокаров в ГПС следует отметить, что в ГПС фирмы ’’Мурата” два робокара применяют для обслуживания десяти станков, которые работают круглосуточно с циклом обработки 20 ... 40 мин, а в ГПС фирмы ’’Фанук” столько же робокаров требуется для обслуживания 60 станков, у большинства из которых цикл обработки не превышает 3 мин. Естественно, что вместимость спутников в ГПС фирмы ’’Фанук” достаточно велика. Существуют и другие примеры использования робокаров. Так, на одной сварочной линии два робокара выполняют 50 транспортных операций в час при длине маршрута свыше 340 мин, а четыре поддона используют для транспортирования 12 различных панелей на рабочие позиции этой линии. В последнем случае длина маршрута составляет 400 м, а время цикла около 2 мин. В одной из наиболее крупных ГПС для выполнения 90 перемещений в час при длине маршрута 1000 м потребовалось 17 робокаров, работавших круглосуточно.
Более точный расчет потребного количества робокаров может быть выполнен по формуле
z = .2 ! tihi /(3600г?), где ti — цикл выполнения транспортной операции для связи i в комплекте всех транспортных связей; i = 1 ... п, с; h, — количество транспортных операций, требуемых для связи i в час пик; т) — коэффициент готовности робокаров.
Существенную помощь при разработке транспортных маршрутов, проверке коэффициента использования и оптимизации графика перемещений оказывает моделирование этих процессов на ЭВМ, которое должно быть неотъемлемой частью моделирования всей ГПС. Судя по результатам проведения определенных работ по планированию ГПС, при необходимости указанные результаты можно выполнять поэтапно.
Степень сложности складов, испльзуемых для ГПС, изменяется в широких пределах — от расположенных непосредственно в цехе обычных стоек со стеллажами, обслуживаемых автопогрузчиками с вильчатыми захватами, до многоярусных складов с автоматическим складированием и поиском. При выборе типа склада в первую очередь необходимо решить, будет ли в его функции входить обслуживание только ГПС или всего предприятия в целом. Наряду с прочими факторами это зависит от соотношения между размерами ГПС и всего предприятия. В общем случае принято, что если один склад обслуживает все предприятие, то в цехе необходимо дополнительно установить небольшие промежуточные накопители.
При создании простейших ГПС обычно начинают с установки стеллажей для спутников и доставки заготовок со складов полуфабрикатов. В этом случае на подготовительном участке сами операторы снимают спутники с транспортных средств и устанавливают на них заготовки. В дальнейшем спутники доставляют на пристаночные накопители. В ГПС более сложной конструкции требуется определенная автоматизация загрузочно-разгрузочных и транспортных работ. Одним из наиболее простых решений этой проблемы является применение вилочных автопогрузчиков с автоматическим управлением и склада с небольшим количеством ярусов (обычно с тремя). Однако коэффициент использования такого автопогрузчика, обслуживающего только ГПС и небольшие склады, будет, по-видимо- му, невелик, что обусловливает в итоге переход на применение робокаров и многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском.
Одним из основных требований к такому складу является его предельная компактность. Это обусловлено необходимостью не только экономии производственной площади, но и предотвращения скрытого возрастания объема незавершенного производства, что легко осуществить при использовании сов-
ременного склада. Для склада, обслуживающего только ГПС, достаточно материально-производственных запасов на два дня работы.
Небольшие заготовки можно хранить непосредственно на станочных участках. Два токарных станка, например, можно обслуживать с помощью накопителя карусельного типа, в котором ряды стеллажей располагают на верхней и нижней направляющих. В этом случае для обеспечения обслуживания всех стеллажей применяют погрузчик с вертикальным перемещением загрузочного устройства. Сам погрузчик имеет возможность поперечного перемещения для захвата заготовок со стеллажей.
Транспортный робот обеспечивает пермещение заготовок между погрузчиком и станками. Типовой пятиярусный склад может иметь 20 стеллажей, на которых расположено до 100 заготовок массой не более 160 кг каждая. Имеются склады и большей вместимости. На этом складе кроме заготовок практически целесообразно хранить и запасные инструменты.
Однако для подобных целей чаще используют обычный многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском. Этот склад в его простейшем исполнении представляет собой два ряда стеллажных стоек, обслуживаемых одним краном-штабелером. Задача последнего состоит в транспортировании заготовок и спутников по отдельности и в сборе от загрузочной позиции на стойки и затем на передаточную станцию, откуда их забираю! робокары.
При двухрядной системе передаточные станции могут располагаться как с любой стороны склада (вместо обычных стеллажных стоек), так и с его торца. Однако робокары, как правило, забирают заготовки с торца склада. Если на кран- штабелер падает слишком большая нагрузка, то в помощь ему выделяют специальную тележку, перемещающуюся вдоль одной из сторон склада. Эта тележка может ввозить заготовки на склад и вывозить их со склада, а также обеспечивать перемещение готовых деталей. В результате кран-штабелер, забирая грузы с соседних стеллажей станций, передает их на стойки, а со стоек — на загрузочную позицию для дальнейшей перевозки робокарами.
Для ГПС, содержащих 5—6 станков и обрабатывающих не слишком крупные и тяжелые заготовки, достаточно одного склада вместимостью примерно 250 ячеек, каждая грузоподъемностью 1000 кг. Для всего предприятия необходим склад, базирующийся на том же принципе, но значительно большей вместимости. Такому складу потребуется, естественно, несколько кранов-штабелеров, перемещающихся по своим проездам. Однако подобно тому, как применение робокаров приводит к децентрализации транспортной системы, так 102
и применение нескольких складов может оказаться более эффективным, чем применение одного.
В частности, при установке на предприятии ГПС для механической обработки и сборки один склад может быть использован только для складирования отливок и прочих полуфабрикатов для механической обработки, а второй для хранения обработанных деталей и комплектующих изделий, долу- ченных от поставщиков. Для крупного предприятия возможно окажется эффективным дополнительное применение несколько мелких складов, рассчитанных на хранение 48-часово- го запаса заготовок и используемых для подпитки нескольких производственных систем при их работе без обслуживающего персонала.
Во всех случаях для управления каждым складом следует использовать отдельную ЭВМ, что не всегда приводит к усложнению его обслуживания. Например, при обслуживании небольших складов оператор может выбрать нужные адреса и ввести в ЭВМ соответствующую информацию.
В результате возникает возможность заранее определять фактический маршрут транспортного средства и с помощью магнитных лент или гибких дисков ввести данные, требующиеся для отработки этого маршрута. Всей складской системой можно управлять непосредственно от ее собственной ЭВМ, куда по графику могут поступать данные от других ЭВМ.
Многоярусные склады с автоматическим складированием и поиском поставляются специализированными фирмами и в большинстве случаев наилучшим решением является поставка под ключ системы, включающей склад и робокары. Разумеется, очень важно контролировать осуществление проекта и определить размер склада с учетом требований ГПС и возможности его дальнейшего расширения.
Для оценки стоимости манипулирования на складах сотрудник института IPA д-р техн, наук В. Дангельмайер провел сравнительный анализ четырех вариантов систем загрузки-разгрузки и транспортировки спутников на крупном складе, рассчитанном на 25 000 ячеек. Хотя такой склад эффективнее для сборочного предприятия, чем для ГПС механической обработки, результаты этого анализа имеют значение для всех потенциальных потребителей. В складе использовались спутники пяти типов и при 4000 перемещений в день.
К этим системам относятся сочетания вилочного погрузчика с цепным конвейером, подвесного конвейера с цепным и цепного с роликовым, а также робокара с цепным конвейером. Капиталовложения, требуемые для осуществления таких вариантов, приведены в табл. 6.1.
Как видно из таблицы, в результате годовой эксплуатации
юз
Т а б л и ц а 6.1
Вариант сочетания
Капиталовложение, млн. марок ФРГ
Стоимость эксплуатации в год, млн. марок ФРГ
Вилочный погрузчик — цепной
2,75
1,22
конвейер
Подвесной конвейер — цепной
5,5
0,192
конвейер
Цепной ковейер — роликовый
6,2
0,264
конвейер
Робокар™ цепной конвейер
3,82
0,237
складов, где использовались эти сочетания транспортных средств, оказалось, что наиболее дешевой является комбинация робокара с цепным конвейером. Через четыре года разрыв значительно увеличился. При оценке результатов обычно не учитывают повреждения, вызываемые иногда вилочными погрузчиками, или нестабильность результатов труда, характерную для операторов.
Примеры использования робокаров. Большое количество робокаров используется в Швеции, где фирма ’’Вольво” впервые начала их применять для перевозки кузовов легковых автомобилей между сборочными позициями. С помощью таких же робокаров, выпускаемых филиалом фирмы ’’Вольво” — фирмой ’’Вольво АКС” (Volvo ACS) коленчатые валы крупных дизельных двигателей перемещают между четырьмя станочными участками (см. рис. 5.9). Система транспортирования упрощается наличием подъемного устройства у каждого робокара. Коленчатые валы устанавливают на столах высотой около 1 м. Робокар подъезжает к столу сзади и поднимает его вместе с ножками. На следующей позиции он опускает стол, ножки которого заходят в фиксаторы.
На входе в участок оператор с интервалом 60 ... 80 мин загружает коленчатые валы на конвейер, который подает их к портальному загрузчику на первом станке. Таким образом, все последующие транспортные и загрузочно-разгрузочные операции автоматизированы. Промежуточный накопитель рассчитан на шесть спутников (т.е. на 30 заготовок). На каждом участке находятся два спутника, а всего в системе их 14. Следовательно, при заполнении заготовками всех спутников и конвейера для их обработки на участке потребуется 8,5 ч. Расположение промежуточного накопителя в середине участка сводит к минимуму суммарную длину перемещений робокаров.
Комплексные транспортно-складские системы с применением робокаров использованы на предприятиях, созданных в 104
последнее время фирмами ’’Мори Сейки” и ’’Ямадзаки”. Так, на предприятии ”Ига” фирмы ’’Мори Сейки” с помощью двух многоярусных складов обслуживают три цеха механической обработки небольших деталей, деталей средних размеров и крупных корпусов, а также ГПС. Кроме того, в состав предприятия входят термоконстантный механический цех, цехи сборки, окрашивания и наладки. Имеется также отдельный корпус, в котором находятся три шлифовальных участка. Склады и робокары обслуживает все цехи и корпуса предприятия. В итоге от первой механической операции до окончательной отладки изделий вмешательство операторов при транспортировании между отдельными участками предприятия практически исключено (рис. 6.9).
Эти участки занимают площадь 46200 м2 и обслуживаются 16 робокарами. Совокупная длина их маршрутов составляет 4,5 км, число остановочных станций 195. Кроме того, дополнительно предусмотрено 53 зоны ожидания. Всего в транспортноскладской системе используется не менее 12 655 спутников. Вместимость обоих складов составляет 12 800 спутников гру- зоподъмностью 30 кг и 7000 спутников грузоподъемностью 1—3 т. Восемь робокаров из 16 работающих на предприятии имеют грузоподъемность 1 т, а остальные — 2 т (четыре робокара) и 3 т (четыре робокара). Робокары максимальной грузоподъемности служат для перевозки станин станков. Робокары и склады были поставлены на предприятие фирмой ’’Мурата”, которая изготовляет робокары по лицензии швейцарской фирмы ’’Шиндлер дигитрон”.
Поскольку эти робокары оснащены подъемными и толкающими устройствами, то на складе, подготовительном участке и в промежуточном накопителе их используют для загрузки и разгрузки. Непосредственно в ГПС робокары обеспечивают поступление заготовок на пристаночные устройства автоматической смены спутников (рис. 6.10). В дневную смену они перемещаются между подготовительным участком, входящими в ГПС станками, в том числе крупными станками с ЧПУ типа CNC с ручной загрузкой, сборочным участком и цехом специальных станков. Кроме того, некоторые спутники из промежуточного накопителя передаются на многоярусный склад. В смену без обслуживающего персонала тележки перемещаются только между этим складом и станками ГПС, автоматически производя загрузочно-разгрузочные операции.
ЭВМ модели Е-800 фирмы ’’Хитати” и модели S/1 фирмы IBM обеспечивают управление материально-производственными запасами, доставкой и складированием заготовок, планированием обработки, автоматическим транспортированием и отправлением готовых деталей. Программное обеспечение было совместно разработано фирмами ’’Мори Сейки” и ’’Мура-
10610612121313Рис. 6.9. Завод ”Ига” фирмы ’’Мори Сейки” с обслуживанием робокарами всех цехов и участков: 1 — участок пригонки; 2 — цех нанесения покрытий; 3 — участок отгрузки; 4 — зона приемки деталей; 5 — новый многоярусныйРис. 6.9. Завод ”Ига” фирмы ’’Мори Сейки” с обслуживанием робокарами всех цехов и участков: 1 — участок пригонки; 2 — цех нанесения покрытий; 3 — участок отгрузки; 4 — зона приемки деталей; 5 — новый многоярусный
106
106
12
12
13
13
Рис. 6.9. Завод ”Ига” фирмы ’’Мори Сейки” с обслуживанием робокарами всех цехов и участков: 1 — участок пригонки; 2 — цех нанесения покрытий; 3 — участок отгрузки; 4 — зона приемки деталей; 5 — новый многоярусный
Рис. 6.9. Завод ”Ига” фирмы ’’Мори Сейки” с обслуживанием робокарами всех цехов и участков: 1 — участок пригонки; 2 — цех нанесения покрытий; 3 — участок отгрузки; 4 — зона приемки деталей; 5 — новый многоярусный
склад с автоматическим складированием и поиском; 6 — участок /у обработки деталей средних размеров; 7 — зона складирования листового и полосового проката; 8 — существующий многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском; 9 — участок обработки мелких деталей; 10 — участок обработки крупногабаритных деталей; 11 — подготовительный участок; 12 — центральный машинный зал для управляющих ЭВМ; 13 — цех механической обработки; 14 — новая ГПС; 15 — термоконстантный участок; 16 — линия сборки узлов; 17 — главная сборочная линия
1
й 75 4
О Л
Е ф о X Й 95 Й Е о
ti Л 75
S ф
й 2 w
Я ^й 2
75
О Й
Я 75
О
3 ф
75
Е х
о л Л о
О 3 95 Й л ф о
95 I ф п о я ф 75 О О я
95
3 о X Й 95 Й S 75 О Ю 95 Л S ф 3 S я о S о X о
§ я о Й to W ^ 5 н Л ф О' о Й to
о л я to ни и
Л 95 X О я S
S ф Sc ю я о л я ^ 5 о 3 ф Я
75 <<
W X S
Ю to ни я о Й я й 5 н о й
Й
ЙФ
ф
ф W
S ф
Л 95 О Й й о
ф 75 95 Н О 75
О п О
95 О
ег Л
ф Sc
ф 3
ю о ф
о я ф 75
95 Я S S
75 95 Я О Я О
8 75 О Ю 95 Я S Й
to s
X 95 95 *1
95 0175
о
S ф
ю 75 4
Л 4
5
О н 95 Л
Й S ю 95 5
W 95 •1 о н о ю X S
75 о
95 О
ю Е о о X о Sc
о X о
о о н to
§5о 8
Й ^ И 75 ^
95 3
о л
ф Й ф
X 95
О
S Й S
ю
ю Е ф
о Й ю
Л о
ф Й
3 я 95 X О
О н й
75 S
2яо
Ф .2 Я ^ to 01
S
Scg ^
ф Й ф 3
о Я
о ю
W й 8 to
о
О н 95 Л X О to
Я о й •1 о н о ю S
to
Sc
Е 3
•2
Й *с 2 о
Sc _
О
о Я О 75
95
ф о н to
75 о О' о X 95
75 О to
о X 95 3 О
X S
ГО 3-5»5 О
»g
S W
ю
о
ю^
^ 03
Г) ® ?J 95
Й
о
s= 2 to
X S
о О
X 75 95
S Sc
я о ю я
w
S
75
s 75
3 to
о 75 S
95
Ф I
£ О I
я s X о ю
S о
о ю
ф
О Ю
о ю Й
в
о
S
3 ф
3
Й
о о н
¥
о
95
3 S
0175
Й
ф
£ 9
S
W 95 •1 О н о ю о
3 ф.
2 << о 3 о н 75 Ф Л 95
О О О' о
75
95 О
Й й
о
Ф
95 Л О ю Й
Я О Sc
о Л S w S Й о й
Л 95
О
ф
И §
5
Й я ф ю
oi2 д
О Й
S ю
W X
S
Я
Ю Л о о Н S
Sc
Н Ю о 2 $ ?
я 75
О
3 ф
Л Л 95 й
75 ф Й to о о
Й
Й О п о
ф Я S й
W 95 •1 о н о ю о
я 75
SI
я о Sc
Л 95
3 2 £
S й
S S
§ я о Й to W о ю
S о to
Й ю ф
75 Ф Й to О о
О
о
8 ф
ю
95 Ю н о 3 3 s w
S 75
3 о Sc
3 95 й W 95 X S
S
о о о
о •1 р
95 О
to л
НИ Sc ^ Z лз
Б 95 *
Ф о м ф ^ 9
s«
о75
Л ф W 95
75
3 й
75 95 W
75
о я о о о
о 75 н S 75 о ю
фЛf
& Й »013 W
О
3 я ф § 5
95
75 4
X О ю о й S н 2 й
S Л
W S 73
ы X Я eb Е Ч 75 << W X Я
и X Я
ф Я
яр
fl
l^
Я Я X о И
VD
X 75
9 73 О Яс о 3 о рэ Я ч о 3
о
S я 3 у я Е Ес
2
о
а а
У л
Я ф Яс ф
3 я о *1 о я ф я ф я о Яс
Л рэ ф ч О X
Е Яс
я рэ X О
Я О *1 О а 73 <<
Ф Я Е Яс о X В Й о
я
о ф Яс X я
з: РЭ
^1
Я 45
75 Е
ф й у
X I о 1 Ясз
о 3 ф Я Е
о Я
за
ф я ф 75
Я О Sc
О Й
to
рэ Я О
X
Я X о м
Оо
я о *1 о я ф я ф о о Яс
о ч g
X
о
75 о
о 2
3 я л ф ф X
01 о ч ф
о
о 01 о
д ф 73
5 О)
Сг
Ф U
О
S 05 * О-
Sh
ф
ф
01Я 0 2 X 6 оз о 73 X
Я
к
I s
mg
о Т5
О
я Е я<
4 2
я я ф
3 я
я о я
ф
8 8 ч й « § § 1 I S а а рэ ^* '••
я я рэ 5 Е
д ф
о о я
о 3
я
01 ф w ,
Я
9 о
о w О X
о я
я я X о я
X РЭ
рэ Я о Й ф
рэ
Я 75
2
Е
х к о& Q 5
<м
С)
* Q 5» Q
N С Ой Q 5
С 5
§§
Q
5
Рис. 6.11. Рельсовая тележка, используемая на заводе фирмы ’’Ямадзаки” для передачи спутников между промежуточными накопителями и устройствами автоматическом смены спутников
Например, склад в ГПС по производству коробок скоростей станков рассчитан на 180 спутников, что достаточно на 48 ч ее работы без обслуживающего персонала. Транспортирование спутников между подготовительным участком, складом и станками производится робокарами (рис. 6.11).
Управление этими робокарами производится от ЭВМ. Вначале между этой ЭВМ и центральной ЭВМ управления производством отсутствовала непосредственная связь. ЭВМ, управляющая транспортными операциями, управляет также автоматическими подъемными устройствами, подающими детали на первый этаж для сборки. Детали, поступившие на первый зтаж, перевозят к сборочным линиям робокарами. Однако для транспортирования деталей в процессе сборки эти робокары, как и на некоторых западноевропейских предприятиях, не применяют из-за недостаточной в результате этого скорости выполнения сборки.
Широко используют робокары на двух автоматизированных предприятиях фирмы ’’Фанук”. В отделении ”Мекатроникс мэньюфзкчуринг” обработка деталей широкой номенклатуры производится на 30 станках. Детали между входным складом, пристаночными накопителями, контрольно-измерительным участком, еще одним складом и сборочным участком перевозят робокарами. Для проведения загрузочно-разгрузочных операций их снабжают подъемными устройствами. Это вызвано тем, что робокары доставляют детали в накопители, откуда их берут операторы для установки на станки. Вместимость входного склада может достигать 477 деталей массой до 1 т
каждая. В другом складе может храниться до 4000 компонентов, в число которых входят как обработанные и готовые для сборки детали, так и комплектующие изделия и узлы, поставленные фирмами-субподрядчиками или другими предприятиями фирмы ’’Фанук”.
Еще большая степень интеграции достигнута при осуществлении транспортных и загрузочно-разгрузочных операций в отделении ’’Мотор мзньюфэкчуринг” фирмы ’’Фанук” (см. гл. 9). На первом этаже двухэтажного производственного здания выполняется механическая обработка, а на втором — сборка, причем почти все транспортные и загрузочно-разгрузочные операции и большинство сборочных осуществляются роботами. При этом 60 станков, установленных на первом этаже, обслуживают два робокара, а 25 сборочных ячеек на втором этаже — пять. Эти робокары перевозят заготовки между многоярусным складом с автоматическим складированием и поиском и сборочными ячейками. В каждой ячейке имеется позиция загрузки-разгрузки, на которой предусмотрено место для трех спутников. К этой позиции подъезжает робокар, и спутники с приемного стола по роликам перемещаются на позицию. Короткие циклы сборки компенсируют наличием 20—50 деталей на каждом спутнике. Производительность предприятия достигает 10 тыс. электродвигателей в месяц. Несмотря на небольшие размеры и массу заготовок, а также короткий цикл обработки, не превышающий 3 мин, семи робокаров достаточно для обслуживания всех станков и позиций сборки.
Чтобы избежать необходимости различных перемещений между этажами предприятия, в функции склада входит обслуживание механического и сборочного цехов. Этот склад находится на первом и втором этажах и функционирует в качестве приемного склада для заготовок, промежуточного накопителя и склада готовых деталей. Такое объединенное функциональное назначение склада упрощает маршруты тележек.
Обычно для сборки требуется большое количество робокаров. Типична в этом отношении сборочная система из трех линий, установленная фирмой ’’Вольво АКС” (Vo/vo ACS) на предприятии фирмы ”Сааб-Скания”. На нем производится сборка коробок передач и главных передач для тяжелых грузовых автомобилей. Его производственная площадь составляет 8000 м2 , из которых 25% занято многоярусным складом с автоматическим складированием и поиском. В складе 5800 ячеек, рассчитанных каждая на два спутника общей грузоподъемностью 900 кг. Чтобы добиться годовой производительности предприятия, составляющей 29 тыс, коробок передач и 36 тыс. главных передач в сборе, каждую смену из склада в систему поступают 800 спутников.
Для передачи спутников на приемные позиции, где производится загрузка заготовок, и на конечные участки трех сборочных линий служат девять робокаров, оснащенных роликовыми передаточными устройствами. Фактически эти линии состоят из нескольких сборочных позиций, через которые проходят 25 робокаров. Коробки передач и главные передачи в течение всего сборочного цикла перевозят на одних и тех же робокарах. Последние оснащены регулируемыми по высоте салазками, имеющими возможность наклона для облегчения сборки.
Центральная ЭВМ модели 4341 фирмы IBM, управляющая сборочной системой, посылает на две микроЭВМ модели PDP- 11/44 фирмы DEC (’’Диджитал Эквипмент”) данные о наличии материалов, перспективном и календарном планировании сборочного процесса. Однако микроЭВМ управляет работой сборочной линии, а другая — транспортом, материально-складскими запасами и складом. При отказе одной микроЭВМ ее функции могут перейти к другой без нарушения функционирования всей системы.
В число задач этих микроЭВМ входит также распознавание спутников и управление их перемещениями в пределах сборочной системы, управление работой робокаров и конвейеров склада, изготовление ярлыков для готовых изделий и хранение данных о наличии материалов на складе, робокарах и на конвейерах.
Большой сложностью отличается также система складского хозяйства и транспорта, установленная фирмой ’’Шиндлер- дигитрон” на предприятии фирмы ’’Филипс” в Вене (Австрия). Площадь этого предприятия, выпускающего видеомагнитофоны, составляет 150 000 м2. В его составе— четыре производственных здания, поэтому некоторые службы находятся на расстоянии до 500 м друг от друга.
Поступающие на предприятие компоненты распределяют по трем направлениям. Одни проходят входной контроль качества, другие направляются в главный многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском, а третьи вводятся на вспомогательный склад небольших деталей. Главный склад рассчитан на 11 800 спутников, а вспомогательный — на 9360. Робокары перемещаются между главным складом, накопительными конвейерами в сборочном цехе и направляются непосредственно на производственные участки. Их используют также в упаковочном цехе при перевозке установленных в коробки видеомагнитофонов на загрузочную площадку для отправки потребителям, где загрузка грузовых автомобилей производится автоматически, или для перевозки на склад. В целом 30 робокаров обеспечивают обслуживание 110
68 позиций (станций), выполняя за 8 ч 2500 перемещений и покрытий в результате расстояние 1100 км.
Для управления транспортной системой служит ЭВМ модели Р-7000 фирмы ’’Филипс”, связанная через модем с концентраторами данных, которые обеспечивают диалоговый интерфейс для 32 терминалов. ЭВМ верхнего ранга сортирует заказы, планирует производство, запрашивает требуемые данные и управляет работой складов готовой продукции. Производственная ЭВМ обеспечивает управление транспортной и основными складами.
Управление этим предприятием было упрощено с помощью нескольких стандартных комплектов программного обеспечения, используемых фирмой ’’Шиндлер-дигитрон”. Имеется, например, программа, управляющая передачей данных между управляющими устройствами робокаров, а также перемещениями самих робокаров. С помощью этой же программы обеспечивают планирование маршрутов робокаров и контроль за правильностью транспортирования по заданным маршрутам. При вводе потребителем в ЭВМ координат расположения предприятия, исходного и конечного пункта каждого заказа маршруты робокаров определяются автоматически с исключением возможности взаимных столкновений.
В первые восемь недель после пуска в эксплуатацию предприятия фирмы ’’Филипс” ЭВМ верхнего ранга рабтала 95,5% предусмотренного времени, ЭВМ управления технологическим процессом — 100%. За то же время коэффициент эксплуатационной готовности многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском составил 99,5% и транспортной системы — 97,5%. В связи с этим следует отметить, что при выходе из строя одного робокара на предприятии останется в годном для эксплуатации состоянии 96,6% его транспортного парка. При конвейерной системе остановка одного конвейера приводит к выходу из строя целого участка предприятия.
Разумеется, для проектирования, разработки и установки такой системы потребовалось много времени. В частности, четыре месяца длилось ее детальное планирование, после которого за 20 месяцев было выполнено проектирование, а затем осуществлено изготовление. Последующие три месяца проводились производственные испытания. Такую транспортную систему, при которой робокары осуществляют все перевозки, начиная со склада полуфабрикатов вплоть до автоматической загрузки на грузовые автомобили для отправки оптовой фирме, по гибкости можно, несомненно, считать близкой к идеальной.
Независимо от того, разрабатывается ли крупное комплексное предприятие или небольшая ГПС, применение робокаров становится существенным условием сокращения скрытых
111
производственных затрат и обеспечения безлюдного производства. Безусловно, робокары являются теперь неотъемлемой частью практически любой ГПС. При сборке небольших изделий робокары необходимы для перевозки компонентов между складом и сборочными линиями, а при сборке крупных их можно эффективно использовать для перевозки подсборок по мере их готовности. Большим преимуществом такой сборки является ее гибкость. В первую очередь нужно отметить, что наличие робокаров предотвращает остановку сборочного цеха вследствие нехватки собираемых компонентов или сборки особо сложного узла. Это приведет лишь к замедлению скорости перемещения одного из робокаров. При необходимости возможно изменение последовательности сборки при одновременном сведении к минимуму объема незавершенного производства. Если же по какой-либо причине произойдет длительная остановка сборочной позиции, другие робокары могут ее объезжать, пока восстановительная работа не будет завершена.
По сравнению с расходами на ручную загрузку-разгрузку и транспортирование расходы на применение робокаров кажутся с первого взгляда значительно большими. Однако эти расходы нетрудно окупить, поскольку благодаря уменьшению объема незавершенного производства робокары освобождают омертвленный капитал и по сравнению с ручными загрузочноразгрузочными и транспортными системами требуют меньших расходов на эксплуатацию.
ГЛАВА 7. ВЫБОР СПУТНИКОВ
И ЗАЖИМНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ГПС
Решающее влияние на характеристики ГПС нередко оказывают такие ее компоненты, как спутники и зажимные приспособления. Если их слишком мало, то без обслуживающего персонала ГПС сможет работать очень короткое время, а если слишком много, то возрастают производственные расходы и усложняется складирование. Хотя стандартизация зажимных приспособлений признается желательной, она не всегда позволяет устранять значительные затраты времени на переустановку заготовок. Поскольку основной целью ГПС является, как известно, ее работа в течение длительного времени без обслуживающего персонала, следует рассмотреть возможность использования на подготовительном участке роботов для загрузки-разгрузки и транспортирования спутников и зажимных приспособлений. В то же время не следует упускать и преимущества использования быстродействующих зажимных приспособлений.
Главной задачей должно стать обеспечение наличия достаточного количества спутников и зажимных приспособлений в системе с тем, чтобы она могла функционировать без обслуживающего персонала. На первых этапах внедрения ГПС не следует добиваться наличия полного количества спутников и зажимных приспособлений для обеспечения ее работы без обслуживающего персонала в течение двух полных смен. В то же время существует определенная опасность присутствия обслуживающего персонала в начальный период эксплуатации ГПС во всех сменах. В этом случае попытки добиться в дальнейшем ее работы без обслуживающего персонала встретят серьезные возражения со стороны достаточно осторожного руководства, а также операторов.
Первоначально обеспечение полностью безлюдной эксплуатации ГПС было связано с серьезными трудностями и нередко вновь вводимые в эксплуатацию ГПС функционировали только в смены с персоналом. Известно, однако, что для получения оптимальной прибыли на инвестированный капитал и значительного сокращения времени производственного цикла нужно добиться круглосуточной эксплуатации ГПС.
Потенциальную возможность сокращения времени производственного цикла можно легко свести к нулю при неправильном подходе к выбору размеров партий изготовляемых изделий. Ясно, например, что размер партии в 1000 изделий при ежемесячном их выпуске 500—1000 шт. будет слишком велик, поскольку в этом случае некоторые детали будут свыше месяца находиться в производстве и это приведет к значительным расходам на незавершенное производство. Такие размеры допустимы при месячном выпуске изделий 5 тыс. шт. и более. Из этого вытекает еще одна задача, решаемая в ГПС, — добиться достаточного количества спутников и зажимных приспособлений для очень малых размеров партий.
Что же следует понимать под выражением ’’очень малые размеры партии?” Размер партии, равный одной детали, — тот подход, из которого следует исходить на начальных стадиях планирования работы ГПС. Одной из причин такого подхода является возможность с его помощью определить также слабые места в системе, которые могли быть замаскированы при разработке специальных зажимных устройств, окупающихся за счет повышения размеров партий. Практически размеры партий при их выборе не будут увеличиваться до тех пор, пока заготовки остаются крупногабаритными, а циклы их обработки — достаточно длительными. Однако размер партии в одну деталь продолжает оставаться важным дисциплинирующим фактором при планировании.
Идеальным является такой размер каждой партии, когда
количество изготовленных деталей не превышает потребности одного дня сборки. При выпуске, например, 100 изделий в месяц это соответствует размеру партии в пять деталей, что обеспечивается при цикле механической обработки каждой детали партии, равном примерно 2 ч. При цикле обработки, равном лишь 10 мин, выбор таких малых размеров партии может до тех пор приводить к излишним потерям времени на смену инструмента, пока на каждом станке для обработки заготовок не потребуется аналогичный комплект инструментов. Одним из путей решения проблемы обеспечения достаточного количества быстросменных инструментов для обработки детали является создание большого банка взаимозаменяемых инструментов (см. гл. 8). Однако большинство специалистов предпочитает все же обеспечивать достаточно большой размер партии. При эксплуатации ГПС следует прилагать постоянные усилия для уменьшения размеров партий до одной детали.
Выбор спутников начинается с выбора характеристик обрабатываемых заготовок. Размеры спутников несмотря на их в основном стандартную конструкцию зависят от параметров станков, на которых они устанавливаются, что в свою очередь определяется размерами заготовок. Большое значение имеет также выбор устройств автоматической смены спутников — двух- ИЛИ много позиционных.
Многопозиционные устройства автоматической смены спутников (т.е. пристаночные накопители спутников), в которых 4—12 спутников устанавливают на круглом или овальном столе, имеют значительные преимущества, особенно проявившиеся при создании первых ГПС. Однако эти накопители с ручной загрузкой следует использовать лишь при длительных циклах обработки. Если планируется применение робокаров и промежуточных накопителей, то нерационально увеличивать производственную площадь под накапливание спутников, особенно при больших размерах столов у пристаночных накопителей.
Обычно загрузку спутников в пристаночных накопителях производят вручную. Рабочую позицию, блажайшую к столу станка, оснащают выдвижным устройством, обеспечивающим автоматическую загрузку спутников на стол станка. После завершения цикла загрузки спутник возвращается на свой стол, который поворачивается на одну позицию. Наиболее эффективно это устройство при цикле обработки 2 ч, но может быть применено и при цикле обработки не менее 1,5 ч. Для обеспечения работы станка без обслуживающего персонала в течение 12 ч и более цикл обработки некоторых заготовок в четырехпозиционном накопителе должен быть не менее 4 ч. В каждую смену с участием обслуживающего персонала должна быть необходима лишь одна операция загрузки (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Пристаиочиый миогопозициоииый накопитель спутников, способствующий сокращеийю количества обслуживающего персонала
На участке из двух многоцелевых станков, предназначенном для обработки указанных выше заготовок, наиболее целесообразно, по-видимому, использовать общий накопитель спутников с поворотным столом. В качестве примера такой конструкции можно отметить четырехпозиционный накопитель, предназначенный для установки на спутниках четырех очень крупных отливок массой 1 .. 3 т. Этот накопитель расположен между двумя большими многоцелевыми станками. Заготовками служат станины станков размерами 1500Х 1200 или 1600 мм. Эти станины вначале обрабатывали только на горизонтальном многоцелевом станке с пристаночным накопителем, оснащенным поворотным столом. Поскольку на растачивание и сверление боковых сторон станины требовалось 2,5 ч, использование такого накопителя позволило станку в течение смены работать без обслуживающего персонала.
Успешная работа этого станка по безлюдной технологии позволила установить в комплексе с ним двухстоечный вертикальный многоцелевой станок, в задачу которого входило фрезерование за 2,5 ч верхней плоскости станины. Это давало возможность завершить на участке весь цикл обработки станины. Заготовки загружались краном на накопитель, оттуда передавались к подъемному устройству и затем на стол вертикального станка. Необходимость применения подъемного устройства была вызвана перепадом высот расположения станины и стола накопителя. Поскольку стол горизонтального станка расположен на одной высоте со столом накопителя, здесь необходимость в подъемном устройстве отпадает, но
возникает другая — в дополнительном устройстве автоматической смены спутников и введения промежуточной накопительной станции.
Эта система оказалась эффективной в связи с ее автономностью и отсутствием потребности в дорогостоящих робокарах для перевозки заготовок между станками. Ее использование позволило наполовину сократить цикл механической обработки главным образом за счет снижения времени на установку крупногабаритных заготовок. До внедрения этого гибкого автоматизированного участка обработку станины проводили на шести станках. Для участка характерна компактность расположения оборудования — общая длина его установки в цехе не превышает 20 м. Однако станки в составе участка не могут работать без вмешательства обслуживающего персонала свыше 10 ч — это ограничение характерно для многих участков и ГПС, предназначенных для обработки крупногабаритных деталей (рис. 7.2). Тем не менее и это время достаточно велико. Как вариант можно рассматривать установку до шести однопозиционных накопителей спутников, неподвижно расположенных полукругом вокруг станка. Накопители оснащают отдельным поворотным загрузочным устройством, достающим при повороте до каждого накопителя. При дальнейшем наращивании дополнительных гибких производственных модулей накопители удаляют, освобождая место для обслуживания системы одним или несколькими робокарами.
В большинстве случаев двухпозиционные устройства автоматической смены спутников эффективнее многопозицион-
Рис. 7.2. Многопозиционный накопитель спутников, расположенный между двумя станками и позволяющий манипулировать очень крупными заготовками:
1 — двухстоечный вертикальный многоцелевой станок с 32-позицион- ным инструментальным магазином; 2 — устройство ЧПУ; 3 —подъемное устройство; 4 — горизонтальный многоцелевой станок с 40-пози- ционным инструментальным магазином; 5 — многопозиционный накопитель спутников; 6 — пульт управления
ных. Нужно отметить, что одним из недостатков первой ГПС, установленной фирмой ’’Фанук”, было излишнее доверие к многопозиционным накопителям спутников, в результате чего для работы без обслуживающего персонала в течение двух смен в составе этой ГПС было готово немного станков. Одни могли работать без обслуживания всего 5 ... 8 ч, другие 8 ... 12 ч лишь некоторые — 14 ... 15 ч. До некоторой степени этот недостаток был заложен в систему, поскольку специалисты фирмы ’’Фанук” для контроля за работой станков на начальных стадиях планирования оставлять на ГПС несколько операторов.
Было решено, что в функции этих операторов войдет также передача заготовок с промежуточных накопителей на станки. Во второй ГПС, установленной фирмой ’’Фанук” позже (см. гл. 9), многопозиционные накопители спутников были сохранены лишь на крупных многоцелевых станках. Однако для увеличения времени обработки без вмешательства обслуживающего персонала эти накопители рассчитывались на большее количество заготовок.
На фирме ’’Мори Сейки” при использовании многопозиционных накопителей спутников устанавливают столы, несущие не менее пяти спутников для заготовок с циклом обработки у каждой примерно 3 ч. Такая компоновка позволяет организовать работу без вмешательства обслуживающего персонала при минимальном количестве оборудования. Для распознавания заготовок на спутниках используют конечные выключатели, сигнализирующие об их наличии, что позволяет выбирать с помощью устройств ЧПУ типа CNC станков правильный цикл обработки. В некоторых ГПС для этой цели используют штриховое кодирование. Таким образом, объединив несколько многоцелевых станков, оснащенных датчиками поломки инструмента, мониторными устройствами контроля его износа и описанными выше многопозиционными накопителями спутников, можно создать ГПС, способную функционировать в течение одной-двух смен без вмешательства обслуживающего персонала (в дневную смену также работает всего несколько человек).
Компактный многопозиционный накопитель спутников применяют в небольшом горизонтальном станке модели МАЗ фирмы ’’Цугами” (Япония), поставляемом в Великобританию под названием Matchmaker-FMS3. Этот накопитель с цепным приводом, рассчитанный на десять спутников, установлен на станке в вертикальном положении, а 32-позиционный цепной инструментальный магазин — в горизонтальном непосредственно над станком. Передача спутников размерами 300Х X 300 мм между столом станка и накопителем осуществляется с помощью специальной руки. Когда спутники находятся как
Рис. 7.3. Кубические зажимные приспособления на многоцелевом станке фирмы ’’Цугами”
в накопителе, так и на станке, рука поворачивается вокруг вертикальной оси таким образом, что может произвести взаимный обмен спутниками, длящийся 12 ч. После этого спутник (и обработанная деталь на нем) перемещается в вертикальном направлении на разгрузочную позицию, где его затем поворачивают в горизонтальное положение. На смену инструментов требуется всего лишь 2,5 с (рис. 7.3).
Хотя грузоподъемность такого спутника может достигать 80 кг, станки нередко используют для обработки довольно мелких заготовок, закрепляя их по нескольку штук в одном универсальном зажимном приспособлении. Один станок модели Matchmaker-FMS3 применили, например, для обработки фланцев подшипников, при этом 36 заготовок было установлено в ряд по четырем сторонам зажимного приспособления кубической формы. Использование пяти таких приспособлений позволило организовать работу станка без обслуживающего персонала в течение 10 ч. Заготовки в приспособления устанавливал оператор, работавшей одновременно водителем робокара и упаковщиком. В этом заключается подлинная гибкость такого оборудования. Безусловно, при использовании всех десяти зажимных приспособлений (по одному на каждом спутнике) и широкой номенклатуре обрабатываемых заготовок несложно настроить станок на работу без вмешательства обслуживающего персонала в течение 16 ч (т.е. в две смены) и с минимальным вмешательством в дневную смену. В этом случае 20 мин ежедневно тратится на обслуживание инструментального хозяйства станка. Хотя такой метод использова-
ния станка является довольно необычным, он показывает возможность работы отдельных станков практически по безлюдной зехжл нм ии.
Для более крупных цехов характерны использование двух- позиционных мтуой- 'н- автоматической смены спутников и механизация си аутично-разгрузочных и транспортных операций между подым ивигельным участком и станками, что создает предпосылки перехода к созданию современных ГПС. Здесь существует два конструктивных варианта применения столов. (ис с-’ - ю-мя спутниками, — круглого поворотного и прях-су../ 1ьнщ о со сну тиками, расположенными в ряд и ихююню .-и н-> ‘мож!fость независимого поступательного перемещения к стикам Разумеется, стол станка сам может осуществлять поступательное перемещение для совмещения с очередным спутником, который должен подходить к столу. В этом случае робокар .'ожег сперва установить новую заготовку на одну позицию устройства автоматической смены спутников, а затею снять с другой позиции спутник с уже обработанной деталью. При использовании круглого поворотного стола робокар должен либо быть рассчитан на установку двух спутников, лило до получения возможности загрузки новой заготовки ему придется переместить обработанную деталь на запасную позицию. Приведет ли такое сочетание перемещений к по I ере времени, зависит от метода установки спутников на робокар. 13 некоторых случаях, например, на конечной станции трассы робокара размещают промежуточные накопители, что позволят] ему передавать спутник в зти накопители напрямую, не 1 ребуя большого количества времени. Тем не менее, нужно отметить, что круглый поворотный стол занимает (Золыне места и обладает меньшей гибкостью, чем прямоу! ОЛЬНЫЙ i рис. л-4 г
Фирмой “Окума шютовлено иное устройство автоматической смены соузников, для которого характерна высокая компактность, ’по устройство башенного типа выполнено с двумя кареткахлк расположенными друг над другом и зафиксированными мел.цу собой на определенном расстоянии. Их совместный подъем и опускание производят с помощью ходовых винтов. Когда нужно разгрузить станок, пустую ка-
Ри. 7 v 1п.Ыг>^> гпчоманр^скойсменыспутников:
а - поступгиымичя п гп .'мечением; б — с круглым поворотнымс гопом- мню (шо-чиционный накопитель
ретку располагают на одном уровне с его столом, а каретка со спутниками может в это время находиться выше или ниже. Предположим, что она находится выше уровня стола. В этом случае обработанную деталь сразу же перемещают на каретку, расположенную на уровне стола. Затем посредством ходовых винтов сблокированные каретки опускают таким образом, чтобы заготовка с верхнего спутника могла быть перегружена на стол станка. Прибывший по сигналу робокар передает новую заготовку на каретку, находящуюся на требуемой высоте. После этого каретки снова поднимаются, что позволяет робокару забрать обработанную деталь и увезти ее на подготовительный участок или в промежуточный накопитель.
Хотя описанные выше сочетания движений могут на первый взгляд показаться усложненными, в этом устройстве автоматической смены спутников на загрузку-разгрузку тратится не больше времени, чем в обычном устройстве поступательного типа. Его основное преимущество — компактность. Теоретически существует возможность установки в этом устройстве более двух кареток. Однако на практике для этого йотребовалось бы вмонтировать устройство в пол цеха, что было бы неэкономично. И все же этот пример, так же как и пример со станком фирмы ’’Цугами”, показывает, что в накапливании спутников по вертикали заложен потенциал исполнения ГПС более компактными, чем их компонуют в настоящее время.
После выбора станков и устройств автоматической смены спутников возникает вопрос выбора количества требуемых спутников. Здесь важную роль играет метод крепления, потому что для повышения производительности станков в одном зажимном приспособлении предпочитают устанавливать несколько небольших заготовок, хотя это и увеличивает время на закрепление.
В идеальном случае спутников и зажимных приспособлений должно быть достаточно на работу ГПС в течение 24 ч без обслуживающего персонала. Но поскольку этот персонал присутствует в одной из смен, их обычно хватает на 16 ... 18 ч работы. Разумеется, если процесс загрузки-разгрузки полностью автоматизирован, то только достаточное количество спутников и зажимных приспособлений может поддерживать работоспособность системы. Однако нет необходимости создавать в обязательном порядке их запас на работу в течение двух полных смен. Действительно, если для установки заготовок на спутники в ряду станков применить робот, то его использование можно окупить за счет сокращения стоимости зажимных устройств и объема незавершенного производства.
Самый короткий цикл обработки на многоцелевых станках составляет обычно около 20 мин, поэтому для обеспече- 120
ния работы каждого станка без обслуживающего персонала в течение двух смен теоретически может потребоваться 50 спутников. Практически же для одного станка в системе нужно иметь 60 спутников. При автоматизированной загрузке в системе достаточно иметь 5—10 спутников. Однако при увеличении цикла обработки примерно до 3 ч преимущества авто матизации загрузки спутников становятся сомнительными, поскольку в этом случае даже при ручной загрузке для работы станка без обслуживающего персонала в течение двух смен необходимо лишь 6—10 спутников.
С зажимными приспособлениями сложилась более сложная ситуация. При обработке очень крупных деталей, например, станин станков или корпусов турбин для закрепления каждой детали можно обычно использовать стандартные зажимные приспособления. Например, при обработке на одной линии ГПС фирмы ’’Ямадзаки” заготовок 50 различных типоразмеров для функционирования всей системы требуется всего 44 стандартных спутника и зажимных приспособления. Минимальный цикл обработки этих заготовок составляет 5 ч. В ГПС фирмы ’’Окума” на семи станках обрабатывают заготовки 80 типоразмеров с объемом каждой примерно 300Х 300Х 300 мм, для чего требуется в общей сложности 120 зажимных приспособлений. В этом случае ситуация упрощается, поскольку каждый станок в ГПС предназначен для обработки только одного типа заготовок, например, передних бабок (рис. 7.5).
Если зажимные приспособления предназначены для установки большого количества небольших заготовок, то их обычно выполняют специальными на один или два типа заготовок. Это один из наиболее доступных способов резкого сокращения большого запаса зажимных приспособлений. Если заранее не продумать конструкцию приспособлений, то ГПС, включающей, например, три крупных и шесть небольших многоцелевых станков для обработки крупногабаритных и небольших заготовок, может потребоваться 400 спутников и свыше Зтыс. зажимных приспособлений.
Характер предварительных операций может также оказать влияние на конструкцию приспособлений. У многих деталей, например, целесообразно выполнять вертикальные фиксирующие отверстия. Если их получить сверлением и развертыванием, а нижнюю плоскость заготовки предварительно профре- зеровать, то заготовку нетрудно установить в стандартном зажимном приспособлении. Обычным правилом должно стать использование стандартных приспособлений, в которых заготовки устанавливают с помощью специальных вспомогательных устройств, например прихватов и фиксаторов. Такие методы крепления применяют на ГПС фирмы ’’Цейсе” (рис. 7.6).
Рис. 7.5. Заготовки, прикрепленные болтами к опорным плитам на спутниках в ГПС фирмы ’’Окума”
Рис. 7.6. Стандартные опорные плиты, устанавливаемые различными методами в ГПС фирмы ’’Цейс”
Для установки небольших заготовок целесообразно использовать зажимные приспособления, рассчитанные на их практически максимальное количество. В идеальном случае такие приспособления должны иметь стандартную конструкцию, подходящую для закрепления широкой номенклатуры заготовок. В качестве примера можно назвать приспособления, выпускаемые фирмой ”Аиой Сейки”. Они оснащены ручными или гидравлическими зажимами.
Приспособления двух типов выполнены в виде стальных плит с поперечными Т-образными пазами. Эти пазы обеспечивают установку в плитах подкладок или направляющих, что делает возможным закрепление в одном приспособлении либо большого количества небольших прямоугольных заготовок, например фланцев, либо двух-трех корпусов или кронштейнов неправильной формы. Наличие 20 анкерных болтов и быстросъемных шайб, которыми оснащено приспособление другой модели, позволяет устанавливать в нем небольшие ступицы. Основное преимущество приспособлений таких конструкций состоит в возможности достаточно быстрой установки различных деталей с помощью прокладочных колец и плит. Другими примерами простых зажимных систем являются разработанные в КНР модульные приспособления (САТ/С) и стандартные зажимные устройства, разработанные совместно университетом в г. Бат (Великобритания) и фирмой’’Уэстленд хеликоптерс”. В последних для установки заготовок стандартные плиты используют вместе с шайбами, крышками и стойками.
Аналогичны по замыслу, но совершенно различны по исполнению кубические зажимные приспособления, устанавливаемые на станках модели МАЗ фирмы ’’Цугами” (см. рис. 7.3). Тот же принцип был использован в ГПС, разработанной фирмой КТМ для обработки нескольких небольших корпусов по четырем плоскостям с тем, чтобы минимальный цикл их обработки составил 60 мин. Там, где это практически возможно, зажимные приспособления следует проектировать с асимметричным креплением, что обеспечивало бы устойчивую посадку заготовки только при ее правильной установке. Здесь многое зависит от квалификации конструктора, занимающегося проектированием инструментальной и зажимной оснастки (рис. 7.7).
Фирма ’’Мурата” спроектировала приспособления для одновременного крепления 12 небольших деталей, например рычагов, таким образом, чтобы цикл их обработки составлял 20 ... ... 40 мин. Поскольку рычаги и некоторые другие небольшие детали нужно обрабатывать с двух сторон, для каждого комплекта деталей требуется два или три приспособления.
ГПС фирмы ’’Мори Сейки” также предназначена для обработки небольших деталей — рычагов, колодок и колец с тем
Рис. 7.7. Универсальное приспособление фирмы ”Аиои”, оснащенное гидравлическим зажимом
же циклом (примерно 30 мин), что на ГПС фирмы ’’Мурата5’. Поскольку и в этом случае операторам приходится тратить много времени на установку заготовок, для его сокращения каждое зажимное приспособление оснащают гидравлическим приводом, срабатывающим обычно от центральной рукоятки. В результате по заявлению фирмы время установки сократилось с 15 до 2 ... 3 мин.
Специалисты фирмы ’’Мори Сейки” признают, что стоимость зажимных приспособлений фактически слишком высока по отношению к стоимости всей ГПС, поскольку для обеспечения работы каждого станка без вмешательства обслуживающего персонала в течение 12 ч требуется 24 спутника. Каждый комплект спу’гник — зажимное приспособление стоит 2 млн. иен (5,5 тыс. ф.ст.) и на один станок нужно затратить 48 млн. иен (130 тыс. ф.ст.).
Эта сумма значительно выше стоимости самого многоцелевого станка, составляющей 20 млн. иен (55 тыс. ф. ст.). В этой системе существует альтернатива между работой по безлюдной технологии и высокими расходами на оснастку, поскольку для хранения спутников и зажимных приспособлений требуется немалая производственная площадь и операторам придется, по-видимому, в начале утренней смены тратить много времени на разгрузку заготовок со спутников (рис. 7.8).
Токарные станки. Первоначальным решением в отношении токарных станков было использование двурукого робота для загрузки-разгрузки заготовок и промежуточного поворотного
накопителя, рассчитанного на 20—60 заготовок. Такой робот с помощью двурукого захватывающего устройства берет заготовку, затем вводит ее в станок, одновременно вынимая готовую деталь из кулачков зажимного патрона. Вместе с этой деталью схват захватывающего устройства поворачивается на 180°, обеспечивая установку новой заготовки в патрон с минимальной длительностью простоя.
При такой системе в накопителе станка хватает заготовок всего лишь на 1 ... 3 ч его работы без вмешательства обслуживающего персонала. Ясно, что на всю смену этого недостаточно. Одним из путей решения этой проблемы является применение токарных обрабатывающих центров, обладающих более длительным циклом обработки затоювок, имеющих к тому же меньшие размеры. На этих станках цикл увеличен примерно с 3 до 20 мин. Это, естественно, приводит к увеличению практически обоснованного времени их работы без вмешательства обслуживающего персонала.
Промежуточный накопитель необходимо индексировать скоординированно с циклом функционирования робота. Поэтому накопитель довольно сложно встроить в конвейерную систему и его обычно загружают вручную. В результате кажется очевидным вывод о необходимости увеличения вместимости поворотных накопителей. Вместе с тем на транспортировку 50—60 обработанных деталей сперва из накопителя к спутникам, а затем на загрузку того же количества заготовок обратно в накопители требуется немало времени, поэтому практически предпочтение может быть отдано накопителям меньшей вместимости.
Для работы в ночную смену без вмешательства обслуживающего персонала требуется все же накопитель большой вместимости, тем более что для его загрузки может быть применен робот, установленный на робокаре.
Следовательно, хотя с началом применения мониторов износа инструмента и устройств коррекции на его износ возникла необходимость в более сложных системах загрузки загото-
Рис. 7.8. Специальные приспособления (с, о), используемые иа фирме ”Мори-Сейки” для закрепления небольших деталейРис. 7.8. Специальные приспособления (с, о), используемые иа фирме ”Мори-Сейки” для закрепления небольших деталей
Рис. 7.8. Специальные приспособления (с, о), используемые иа фирме ”Мори-Сейки” для закрепления небольших деталей
Рис. 7.8. Специальные приспособления (с, о), используемые иа фирме ”Мори-Сейки” для закрепления небольших деталей
вок, тем не менее при наличии операторов в цехе карусельные накопители продолжают удовлетворять предъявляемым требованиям.
На данном этапе не обсуждается вопрос о том, для подачи деталей каких типов на токарных станках следует использовать бункерные устройства. К дальнейшему усложнению выбора станков ведет также наличие токарных станков с индексируемыми передними бабками и систем автоматической смены кулачков зажимных патронов.
Для сокращения потерь времени на установку заготовок на фирме ZF используют токарные станки с ЧПУ типа CNC фирмы ’’Вайсер” с двумя индексируемыми передними бабками. Пока в первой бабке производится обработка одной заготовки, во второй осуществляется загрузка следующей. Фирмой ’’Китагава Коге”изготовлен четырехшпиндельный станок, на котором без переустановки можно выполнять черновое и чистовое точение. Его загрузка, разумеется, производится во время обработки. Такие станки особенно эффективны при обработке заготовок массой выше 10 кг, поскольку немного роботов, спроектированных для обслуживания токарных стан- кощ могут поднять сразу две заготовки указанной массы. Известно, что на одношпиндельном станке потери времени возникают при разгрузке роботом сперва обработанной детали, а затем при загрузке заготовки.
В качестве варианта возможно использование портальных роботов, разработанных фирмой ”Трауб”или ’’Сведтурн”. Эти роботы могут быть рассчитаны на манипулирование тяжелыми заготовками, обслуживание двух станков, и они обычно дешевле напольных роботов. К тому же с помощью портального робота фирмы ’’Трауб”, например, можно производить замену инструментов, а для токарных станков, безусловно, желательно, чтобы такой робот мог выполнять обе функции. Разумеется, их несложно осуществить и напольному роботу, оснащенному сменными захватывающими устройствами.
Обслуживание токарных станков с ЧПУ типа CNC, встраиваемых в ГПС, может быть существенно затруднено в результате того, что цикл обработки на них находится в интервале 3 ... 10 мин. С целью устранения слишком большого объема обслуживания заготовки для этих станков следует подавать на спутниках с тем, чтобы на обработку комплекта заготовок на одном спутнике требовалось не менее 30 мин, а оптимально — до 1 ч.
В ГПС модели SCAMP (см. рис. 5.6) заготовки с вертикальным расположением осей устанавливают в обычных прямоугольных зажимных приспособлениях. В связи с тем, что спутники рассчитаны на время обработки всех заготовок
в пределах 30 мин, иногда в зажимном приспособлении закрепляют одну крупную заготовку, а иногда 6—9 валов. Валы свободно установлены в приспособлении таким образом, что они имеют опору примерно на половине своей длины. После установки заготовок комплекты спутник — зажимное приспособление перемещаются по конвейеру к станкам. Институтом IPA для токарных станков разработаны спутники модульной конструкции, базирующиеся на стандартных рамах с широким выбором траверс, плит и пальцев для крепления заготовок широкой номенклатуры.
На фирме ’’Ямадзаки” (см. гл. 9) используют круглые спутники диаметром около 1 м, на которых установлено 4—8 заготовок со временем обработки каждой 1 ... 3 ч. Базирование большинства заготовок на спутниках выполняется путем их установки на центрирующие буртики. Однако довольно массивные шпиндели токарных станков длиной около 600 мм устанавливают в кольцевых выточках, а их позиционирование производят с помощью зажимов. Такая точная установка требуется в связи с трудностью манипулирования этими шпинделями вручную (рис. 7.9).
В ГПС фирмы ’’Фанук” для изготовления серводвигателей (см. гл. 9) применяют спутники различных типов, рассчитан-
Рис. 7.9. Круглые спутники, используемые для установки заготовок на токарном обрабатывающем центре, входящем в состав ГПС фирмы ’’Ямадзаки”
ные обычно на установку 30—100 заготовок с совокупным циклом обработки на 1 ... 3 ч. Валы серводвигателей располагают по одному в горизонтальной плоскости, однако большинство заготовок круглого сечения штабелируют (по пять заготовок в штабеле) на стоках, встроенных в спутники достаточно больших размеров.
На каждом станке, обслуживаемом роботом, предусмотрена установка двух таких спутников. Их используют для снабжения заготовками 52 станков в механическом и 25 сборочных комплексов в сборочном цехах. Всего в системе может циркулировать примерно 200 спутников с установленными на них 10 тыс. заготовок, что эквивалентно месячному объему выпуска ГПС. Хотя этот объем фактически незавершенного производства кажется довольно существенным, не следует забывать, что в обычных цехах он может быть значительно большим, особенно при обработке заготовок на трех или четырех станках.
С этой позиции представляет интерес ГПС фирмы ZF, описанная в гл. 5 и рассчитанная на выпуск в месяц 16 тыс. зубчатых колес. Магазины для заготовок выполнены в ней пятиярусными, причем на каждом ярусе расположено до шести заготовок. Каждая заготовка находится в своем ярусе на центрирующем буртике. Оператор на загрузочном участке устанавливает заготовки на конвейер, с которого выполненный в прямоугольной системе координат робот производства фирмы ZF передает их в магазины. Затем сами магазины транспортируются портальным краном непосредственно к приемным позициям у станков или в центральный склад, где возможно их штабелирование. Для обслуживания токарных станков фирмы ’’Вайсер”, оснащенных, как сообщалось выше, двумя индексируемыми передними бабками, также применяют роботы модели TIII-L, выполненные в прямоугольной системе координат и изготовленные фирмой ZF.
Вместимость центрального склада может достигать 180 магазинов, но обычно функционирует около половины этого количества, поэтому всего в системе циркулирует 5—6 тыс. заготовок, что примерно эквивалентно недельному объему выпуска ГПС. Размер партии обычно составляет 50—500 шт., т.е. количество партий в системе может достигать 100. Поскольку в среднем цикл обработки достигает 3 мин, время обработки заготовок, установленных в магазине, составляет не менее 90 мин. Каждая заготовка во время обработки проходит через восемь роботизированных технологических комплексов, поэтому потральный кран постоянно загружен. Такая организация производства при обработке деталей типа тел вращения, по-видимому, наиболее рациональна.
В дальнейшем по мере повышения надежности роботов
и транспортно-загрузочных устройств найдут, вероятно, применение устройства, способные загружать сразу несколько станков. На фирме ’’Кавасаки хеви индастриз” несколько лет назад робот модели ’’Юнимейт” был установлен на направляющей длиной несколько метров, что позволило ему обслуживать несколько различных станков. Проводятся и другие разработки, целью которых служит расширение функций роботов при обслуживании станков в ГПС. Так, на о. Тайване разрабатывается установленный на короткой направляющей робот, который может попеременно перемещаться между двумя обслуживаемыми им токарными станками. Робот, устанавливаемый на робокаре, разрабатывается институтом IPA (см. рис. 6.7).
Применение такого робота представляется в настоящее время достаточно сложным решением, но если бы в его функции входило обслуживание нескольких токарных станков, а также передача спутников между подготовительным участком и станками, он мог бы стать экономически эффективным. Например, в ГПС, эксплуатируемой на фирме ZF, четыре таких робота, установленных на робокарах, смогли бы заменить 14 напольных роботов и один портальный кран.
Другой областью, где необходимы существенные усовершенствования, является установка заготовок в зажимных приспособлениях. Сейчас она выполняется вручную, хотя в ГПС фирмы ZF после установки оператором заготовок на конвейере их последующую загрузку осуществляет робот. При обработке заготовок типа тел вращения вскоре будет практически ликвидирована необходимость их ручной загрузки. Это может быть достигнуто,например, с помощью робота, захватывающего заготовки непосредственно со спутников. В настоящее время заготовки приходится устанавливать на спутниках с достаточно высокой точностью, а это не позволяет располагать на них, например, поковки. Однако применение датчиков технического зрения позволит в Дальнейшем направлять робот на поиск и захват заготовок, расположенных произвольно, даже навалом. Возможно, практически более оправданным будет применение усовершенствованных конвейеров, в которых заготовки расположат в сравнительном порядке, и несложных систем визуализации либо захватывающих устройств с простейшей системой регистрации нагрузки, обеспечиваемой с помощью пружин.
Поскольку при обработке деталей типа тел вращения редко возникает необходимость в зажимных приспособлениях, полную автоматизацию гибкого цеха токарной обработки осуществить легче, чем цеха, оснащенного многоцелевыми станками (и это несмотря на короткие циклы обработки, характерные для токарных станков). По-видимому, чтобы добиться 3 Хартли 129
такого уровня автоматизации, не потребуется очень много времени. Все же при обработке некоторых деталей, например, тонкостенных цилиндров или несимметричных корпусов необходимость в зажимных приспособлениях возникает. Если закрепление детали окажется неизбежным, то ее обработку следует выполнять на небольшом многоцелевом станке с ручной переустановкой с тем, чтобы для всех заготовок, обрабатываемых на токарных станках, стала бы возможной полная автоматизация загрузки-разгрузки и транспортировки.
Для обработки токностенных и несимметричных деталей типа тел вращения можно создать отдельный участок, оснащенный специально спроектированными зажимными приспособлениями. В этом случае с одной установки следует выполнять всю практически возможную обработку с тем, чтобы свести к минимуму стоимость загрузочно-разгрузочных и транспортных операций. В качестве примера можно назвать изготовление нескольких сот гильз с фиксирующей бобышкой. В условиях ГПС обработка этих гильз будет наиболее эффективной (рис. 7.10).
Рис. 7.10. Приспособление для крепления тонкостенной отливки, цент рируемой штифтовым патроном
Существуют две основные причины, препятствующие автоматизации установки заготовок на многоцелевых станках. Во- первых, для большинства роботов заготовки и спутники слишком тяжелы, а во-вторых, установка зажимов или установочных приспособлений на многоцелевых станках настолько сложна, что требует от робота значительного ’’мастерства”, которым, разумеется, обладают немногие роботы большой грузоподъемности.
И все же количество роботов, способных манипулировать крупными тяжелыми заготовками, постепенно увеличивается. Грузоподъемность робота типа ’’Бабот” фирмы "Дайнити Кико” составляет 350 кг, а роботы типа ’’Скобот” фирмы ’’Ламбертон” рассчитаны на грузоподъемность 300, 700 и 1300 кг. Этого достаточно для большинства заготовок. Более крупные заготовки следует транспортировать с помощью портальных роботов, что могло бы сыграть немалую роль в автоматизации транспортно-загрузочной системы. Для обеспечения требуемой точности установки необходимо разрабатывать специальные зажимные устройства или методы установки. Эту работу должны выполнять квалифицированные конструкторы.
Используя робот модели ”Скобот-700”, можно механизировать загрузку крупногабаритных деталей. Установить его (при необходимости на направляющей) удобнее всего на углу основного многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском и вблизи склада спутников и зажимных приспособлений. Почти наверняка можно утверждать, что для упрощения манипулирования придется использовать унифицированные зажимные приспособления.
Спутники, транспортируемые со своего склада, разгружаются на загрузочно-разгрузочной станции. Робот со специальной тележки, работающей на многоярусном складе, поднимает заготовку, поворачивается и устанавливает ее в зажимное приспособление на спутнике. Затем спутник перемещают на следующую позицию, где робот меньшей грузоподъемности, но имеющий более высокую точность позиционирования, обеспечит закрепление центральных зажимов либо при необходимости вставит установочные винты и зажимы. Поскольку ясно, что этот робот не сможет удерживать зажим одной рукой, вводя в это же время второй установочный винт, то процесс закрепления в дальнейшем потребуется пересмотреть.
После обработки детали проходят через позицию мойки к небольшому роботу, который снимает с них зажимы и крепеж и устанавливает затем на конвейер карусельного типа для возврата на позицию загрузки. Затем робот большой грузоподъемности снимает деталь со спутника и устанавливает ее на загрузочную позицию для отправки на основной многоярусный склад. Тем временем спутник направляется на свой склад. 5* 131
Безусловно, в процессе эксплуатации этой системы потребуется и несколько промежуточных накопителей.
В настоящее время такая система может показаться усложненной, не совсем удобной и обладающей некоторыми недостатками. Тем не менее, ее можно применить и сейчас, а по мере совершенствования устанавливаемых на роботах датчиков она станет проще и надежнее. Ее основным преимуществом будет не уменьшение до минимума количества обслуживающего персонала, а потенциально большее сокращение стоимости спутников и зажимных приспособлений и значительное уменьшение межоперационного задела. Отпадет необходимость в промежуточных накопителях для подготовки достаточного количества спутников и заготовок к работе без обслуживающего персонала в течение 8 или 16 ч и останется лишь потребность в спутниках для заготовок, обрабатываемых в данное время, для чего нужна накопительная станция значительно меньших, чем теперь, размеров. Уменьшение количества заготовок в системе повлечет за собой дальнейшее сокращение производственного цикла. Очевидно, для этого необходима трехсменная работа механического и сборочного цехов. Это означает необходимость разработки почти полностью автоматизированной сборочной ГПС. Создание такой ГПС еще впереди.
Однако даже при ручной загрузке и разгрузке ГПС обладают огромным потенциалом сокращения времени подготовки производства, повышения производительности и коэффициента использования оборудования на предприятии. В то же время необходимы глубокое знание вариантов потока заготовок, удачная конструкция спутников и зажимных приспособлений и, возможно, некоторые изменения в конфигурации заготовок с целью упрощения их закрепления. Другими словами, это та область производства, где от специалиста требуется полностью использовать все его практические инженерные знания. Эту работу не следует возлагать на неквалифицированных инженеров, а машинам ее доверить нельзя.
ГЛАВА 8. ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ,УДАЛЕНИЕ СТРУЖКИ
И ЭКСПЛУАТАЦИОННОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ГПС
Управление инструментальным обеспечением имеет для ГПС такое же важное значение, как и управление потоком заготовок. При эксплуатации ГПС, состоящей из десяти станков, в ней может находиться 3—5 тыс. инструментов. В случае недостаточного снабжения ими или поломки возникают длительные простои оборудования, поскольку станкам приходится 132
ожидать замены инструментов. Поэтому коэффициент использования оборудования становится ниже, чем ожидалось, а преимущества безлюдной технологии будут тем самым практически сведены к нулю. В результате администрация может подвергать сомнению ценность ГПС, вместо того чтобы сомневаться в своих возможностях организовать ее работу.
Было установлено, что поток инструментов нередко создавал в цехе больше проблем, чем поток заготовок, а в ряде случаев специалисты не могли справиться с решением вопросов, возникающих при загрузке, разгрузке и транспортировании инструментов. Вместо этого они просто отказывались от принципов безлюдной технологии, считая, что ручная смена инструментов либо вообще незаменима, либо предпочтительнее. Автоматическая смена инструментов между инструментальными магазинами станков и инструментальными складами (кладовыми) является, возможно, действительно сложной задачей. Однако, если допустить, что ручной смене позволят преобладать в ГПС над принципами безлюдной технологии, то это покажет профессиональную несостоятельность инженеров. Причина здесь простая — ГПС, будучи капиталоемкими системами, должны функционировать 16 ... 24 ч в сутки, чтобы обеспечить достаточную прибыль на инвестированный капитал и тем самым поддерживать на должном уровне конкурентоспособность фирмы.
Следовательно, вопрос управления инструментальным обеспечением необходимо рассматривать под тем же углом зрения, что и вопрос складирования и доставки заготовок на робокарах. Необходимость сведения к минимуму количества используемых в ГПС инструментов и времени, затраченного на их смену, требует создания системы управления инструментальным обеспечением, выполненной на базе * инструментальных складов с доставкой инструментов к станкам. Необходимо также иметь сведения о скорости службы инструментов (до их смены) и о наличии соответствующей замены.
После выбора установленной номенклатуры деталей, изготовляемых в условиях ГПС, необходимо проявить рациональный подход в вопросе дальнейшего употребления инструментов: нельзя просто взять для ГПС существующие инструменты, не проведя их соответствующих изменений. Иначе возникнет вероятность включения в ГПС дорогих и не полностью используемых инструментов. В то же время применение инструментов, планировавшихся для выполнения данных работ несколько лет назад, может стать причиной их ненадежности, неполной взаимозаменяемости и низких скоростей резания.
Поскольку ГПС, состоящая из пяти станков, по производительности может заменить 15—20 станков без ЧПУ, то естественно должно уменьшиться и количество применяемых 133
В ГПС инструментов. ЭДожет показаться, что при создании ГПС из нескольких станков с ЧПУ типа CNC количество потребных инструментов не изменяется. На практике происходит иначе, потому что внедрение новой системы создает значительные возможности для рационализации.
При внедрении ГПС количество инструментов на одной фирме, например, сократилось с 600 до 63, а на другой с 700 до 43 стандартных и всего лишь 16 специальных. Речь о таком резком сокращении может идти лишь в том случае, если специалисты решились на исключение из инструментального хозяйства редко используемых, часто ломающихся или очень близких между собой по техническим характеристикам инструментов.
Даже в том случае, если для выполнения какой-либо работы задействован новый инструмент без учета возможности использования существующего, нетрудно исключить создание громадных запасов инструмента. Однако необходимость в резервных инструментах (инструментах-дублерах) на случай поломки основных означает, что для начала в системе лучше иметь избыток инструментов, чем их недостаток.
Безусловно, разработчики испытывают немалое разочарование при мысли о необходимости тщательного изучения тысяч инструментов, необходимых для ввода в систему еще до начала планирования каждой операции. Чтобы обойтись без этого длительного и утомительного процесса, необходимо в той или иной форме составить программу подбора инструментов на ЭВМ. С этой целью вначале нужно создать основной массив данных, куда наряду с другими входят важнейшие параметры инструментов и данные по их применению. К параметрам относятся номер инструмента, данные по его износу, размерам и возможностям регулировки, а также данные о станках, на которых его можно использовать. В отношении типов инструмента следует отметить наличие, например, стандартов ИСО по кодированию неперетачиваемых пластин для режущих инструментов. Эти стандарты можно использовать в качестве основы для распознавания инструментов (рис. 8.1).
К этому следует добавить, что инструмент следует распознавать по его составным элементам, поэтому в сборе он представляет собой как бы отдельный комплект. Таким методом можно избежать дублирования, рассматривая, например, инструмент определенной формы и типа и выясняя области его вероятного использования. Тем не менее, нет смысла просто вводить в ЭВМ данные о каждом используемом инструменте. Создание массива данных следует начинать с основных часто используемых инструментов. При наличии объективных отчетов о ранее использовавшихся инструментах может оказаться, что в некоторых инструментах отпадет необходимость даже 134
Рис. 8.1. Коды ИСО для неперетачиваемых пластин токарных резцов, обеспечивающие хорошие предпосылки для создания базы данных по инструментам:
1 — система закрепления; 2 — форма пластины; 3 входной код; 4 — задний угол пластины; 5 — код вариантов; 6 — высота хвостовика 25 мм; 7 — ширина хвостовика 25 мм; 8 — длина инструмента;
9 — длина режущей кромки 12 мм; 10 — обозначение типа инструмента, принятое фирмой-изготовителем (например, Q — качественный инструмент)
без помощи ЭВМ. Созданный массив данных можно использовать для моделирования потока инструментов через систему, что позволит обнаружить и ликвидировать как потенциальный недостаток, так и потенциальный избыток инструмента.
К одному из основных недостатков ГПС относится слишком большой объем ручной смены инструментов в инструментальных магазинах устройств автоматической смены, а также недостаточное использование стандартных, предварительно настроенных инструментов. Там, где это практически возможно, нужно использовать инструменты с механически закрепляемыми неперетачиваемыми пластинами, поскольку такой тип инструментов легко поддается обслуживанию. Кроме того, существует много фрез различных размеров и исполнений с одинаковыми стандартными механически закрепляемыми неперетачиваемыми пластинами. Использование таких фрез ускоряет и упрощает эксплуатацию инструмента (рис. 8.2).
Рис. 8.2. Инструменты, оснащенные стандартными иеперетачиваемыми пластинами
Но и в этих условиях поломка инструмента остается ’’болевой точкой” для ГПС. Как правило, поломка происходит при наличии дефектов в материале заготовки (например,твердых включений у отливок) или инструмента, использовании неправильных режимов, например скорости или угла резания, защемления стружки между режущим инструментом и заготовкой или недостаточном потоке смазочно-охлаждающей жидкости. Стружка в ГПС, если от нее вовремя не избавиться, по- видимому, становится важнейшей причиной различных сбоев.
Таким образом, нужно проводить пробные проходы по резанию, осуществляя тем самым контроль характеристик инструментов. Разумеется, при установке срока службы инструмента необходимо контролировать не время цикла обработки в идеальных условиях, а фактическое время резания в нормальных.
Достаточно рациональным подходом является ограничение каждого станка обработкой только одного базового материала. Однако такой подход может стать неприемлемым, если он практически огранйчивает гибкость ГПС. Поэтому нужно четко устанавливать методику осуществления операции механической обработки и неуклонно ее соблюдать во время разра-
ботки ГПС. Однако это не означает, что, как будет показано ниже, в результате приобретения практического опыта не могут быть осуществлены определенные изменения в различных областях применения инструмента.
Для уменьшения вероятности поломок инструмента могут быть предприняты и другие меры. Так, если для ГПС выбирают новые станки, то в обязательном порядке следует учитывать технические условия на них. Также известно, например, что сверла чаще всего ломаются на входе и выходе из отверстий деталей. В настоящее время для станков существуют такие управляющие устройства, которые это учитывают. Они улавливают моменты входа и выхода сверла из отверстия и обеспечивают соответствующее снижение скорости только в эти моменты.
Известно,что для алюминия желательно применение высокоскоростной обработки. Однако у большинства многоцелевых станков частота вращения ограничена 3000 ... 6000 мин"1. Тем самым при использовании фрез или сверл небольшого диаметра не-всегда возникает возможность извлечения преимуществ из технологии современной высокоскоростной обработки. В этом случае для сокращения основного времени на многоцелевых станках можно установить высокоскоростные шпиндельные головки с частотой вращения до 20 000 мин"1. При обработке небольших деталей, применяемых, например, в автомобильной промышленности и при изготовлении бытовой радиоэлектронной аппаратуры, на сверление, развертывание и резьбонарезание метчиком приходится до 80% всех механических операций. Поэтому здесь использование сверлильных станков с ЧПУ типа CNC или многоцелевых станков со сменными многошпиндельными головками эффективнее, чем многоцелевых станков, работающих универсальным инструментом.
Однако для предотвращения излишних поломок инструмента следует изучить технологические параметры предназначенных для обработки в ГПС деталей с тем, чтобы выяснить возможности их некоторой конструктивной доработки. Более значительные усилия могут быть предприняты также дая увеличения однородности поставляемых материалов. Особого внимания требуют скошенные плоскости и стержневые отверстия в отливках. В автомобильной промышленности от литых отверстий из-под стержня, подвергаемых последующему рассверливанию, в основном давно отказались вследствие нарушений и затруднений технологического процесса, причиной которых они нередко являются. Дело в том, что металл на корке литой поверхности часто обладает повышенной твердостью, вызывая быстрый износ и нередко поломку инструмента. Ес-
ли это отверстие к тому же расположено неправильно, сверло скорее всего будет сломано.
И все же, несмотря на эти проблемы, выполненные в отливках стержневые отверстия под сверлением часто встречаются в деталях, подвергаемых механической обработке. Однако их сверление с возможными в настоящее время скоростями фактически не обеспечивает сокращения основного времени обработки, а сами такие отверстия лишь осложняют процесс литья. Если в целях улучшения качества отливки и существует необходимость в уменьшении ее поперечного сечения, то этого можно достичь другими способами.
Равным образом следует всемерно избегать применения очень малых отверстий (и оставлять их нужно лишь в случае крайней необходимости), поскольку сверла и метчики малых диаметров часто ломаются. В целях рационализации конструкции инструментов у деталей следует унифицировать параметры фасок, выточек и т.д.
Большое значение имеет выбор скорости резания. На станках, входящих в ГПС японских фирм, она составляет 65—75% от расчетной. Это кажется на первый взгляд до некоторой степени нерациональным, поскольку современные режущие материалы позволяют довести скорости резания до весьма больших значений. Однако такие скорости становятся фактически бессмысленными, если их применение в течение смены без вмешательства обслуживающего персонала вызывает настоль-1 ко частые поломки инструмента, что станки в результате часами простаивают.
Естественно, что и в этом случае цель безлюдной технологии остается прежней: поддержание работоспособности станков в течение одной-двух смен без вмешательства обслуживающего персонала. Ведь если станки в такую смену остановятся из-за поломки режущего инструмента, то они не смогут возобновить свою работу до начала дневной смены (если, разумеется не имеют автоматического доступа к инструментальным складам большой вместимости). У японских специалистов обычно преобладает мнение, что основным критерием оптимизации являются минимальные простои оборудования и они действуют именно в этом направлении.
В начале эксплуатации ГПС целесообразно установить для входящих в нее станков пониженные скорости резания (за исключением тех случаев, когда применение специальных управляющих устройств, например для сверления, делает это излишним) . Придерживаясь более низких скоростей резания, исключают одну из причин простоев. По мере приобретения опыта эксплуатации скорости резания можно постепенно увеличивать, а на станках с ЧПУ типа CNC осуществить это несложно.
В случае если скорости резания невелики, на некоторых
Рис. 8.3. Схема акустической системы контроля за поломкой иистру- меитов:
1 ~ шпиндель; 2 — заготовка; 3 — инструмент; 4 — звуковая волна; 5 — акустический датчик; 6 — акустический сигнал; 7 — схема определения поломки инструмента; 8 —.аварийный звуковой сигнал; 9 — сигнал на возврат; 10 — блок управления станком; 11 — сигнал на остановку станка и т.д.; 12 — сигнал на выбор определенного типа инструмента
станках можно обойтись без мониторов поломки инструментов. Руководитель эксплуатации одной из ГПС, работавшей в течение примерно шести месяцев, на вопрос, почему он не установил такие мониторы на всех станках, ответил, что за эти шесть месяцев в ГПС не произошло ни одной поломки инструмента. Дело в том, что многоцелевые станки выполняли аналогичную работу в течение нескольких лет, не будучи в составе ГПС, и за это время у них была отработана технология.
Мониторы поломки инструмента обычно реагируют на величину тока привода шпинделя, его осевого усилия или на уровень шума и если значения этих величин превышают заранее заданные, то либо снижается скорость резания, либо останавливается сам станок. Дальнейшее повышение осевого усилия при уменьшенной скорости резания также приводит к остановке станка. В таком случае следует автоматически заменить инструмент.
При большом количестве операций сверления в большинстве случаев используют акустические системы, поскольку с их помощью, как сообщается, можно обнаружить повреждение инструмента малых диаметров, например 3 мм; и прекратить его работу прежде, чем случилась поломка (рис. 8.3).
Обычной практикой при контроле износа и проверке поломки инструментов, например сверл, является измерение их длины и диаметра с помощью щупов и конечных выключателей. Такую систему можно использовать также для автоматической коррекции на изменение длины инструмента. В этом случае стандартный инструмент периодически вводят в контакт
Рис. 8.4. Схема автоматического измерения величины коррекции на изменения размеров инструмента:
1 —станина; 2 — стол; 3 — датчик; 4 — инструмент; 5 — шпиндель;' 6 — стойка; 7 — устройство ЧПУ станка
с датчиком, подсчитывают разницу длин и величину коррекции вводят в устройство ЧПУ типа CNC станка. Контролируют также срок службы инструмента, сравнивая его с заранее заданным. В некоторых случаях инструменты измеряют периодически, сравнивая полученные размеры с заранее заданными, которые принимают за соответствующие максимальному сроку службы инструмента. В идеальном случае следует использовать обе системы. Безусловно, измерение время от времени соответствующих размеров инструмента с помощью щупов также показывает степень износа инструмента (рис. 8.4, 8.5).
В результате введения в систему таких мониторов и составления базы данных по инструменту возникла возможность объединения этих данных для создания работоспособной системы. Для этого имеется, во-первых, информационная база данных по каждому инструменту, куда вначале вводят данные о сроке службы инструмента и коррекциях на изменения его размеров. Во-вторых, с помощью мониторов обеспечивают обратную связь, выдавая данные об износе и областях применения инструментов, что приводит к постоянному обновлению базы данных. Эти данные используют для подачи команды на смену инструментов. Такую систему следует развивать даже в том случае, если часть инструментов меняется вручную, поскольку это позволяет поддерживать надлежащий порядок при управлении инструментальным хозяйством.
В целях сокращения количества используемых инструментов и упрощения инструментального обеспечения возможно следует в некоторой степени пожертвовать гибкостью. Для изготовления одного семейства деталей насосов можно, напри-
Рис. 8.5. Примеры использования щупов для распознавания деталей и проверки полученных размеров на токарном станке: а — наладка инструмента; б ~ распознавание детали в гибком производстве; в — контроль длины; г — контроль диаметра
мер, применить два станка — обработку корпуса особой формы и из особого материала проводить на одном, а торцовых крышек — на другом. При уже спланированной компоновке участка обеспечивать такое разделение следует путем выбора станков, оснащенных цепными или барабанными инструментальными магазинами достаточно большой вместимости. У многоцелевых станков она составляет 20—60 инструментов, достигая иногда 90. Однако в большинстве случаев недостаточно и 90 инструментов. Поэтому, если некоторые инструменты в магазинах меняют вручную, то при обработке лучше воспользоваться инструментальными накопителями наибольшей емкости. Точно также при автоматизированной смене инструментов между инструментальными магазинами и складами вполне может хватить инструментальных магазинов небольшой вместимости (рис. 8.6).
На токарных станках обычно применяют 8—15 инструментов, хотя некоторые станки оснащают и большим их количеством. Поэтому оказывается эффективным использование
Рис. 8.6. Инструментальные магазины с большим количеством инструментов, преимущественно используемые на многоцелевых станках
устройств автоматической смены инструментов с инструментальными магазинами. Разработана в частности, система инструментальных блоков фирмы ’’Сандвик”, в которой инструменты устанавливают на вертикальной поворотной стойке непосредственно на станке или на горизонтальной стойке около станка.
Дисковые инструментальные блоки могут быть установлены друг на друга, образуя на станке инструментальный накопитель емкостью до 100 инструментов и более. Для их переноса между накопителем и револьверной головкой станка служит обычно манипулятор, смонтированный на портале. Эта система применима как для отдельно стоящих станков, так и для встроенных в ГПС.
При разработке ГПС для сведения к минимуму дублирова-
ния инструмента в центральные склады следует встраивать систему его загрузки, разгрузки и транспортирования. Очевидно, при включении в состав ГПС 1С-15 токарных станков (что для ГПС не редкость) установка на каждом из них блочной системы фирмы ’’Сандвик” приведет к образованию большого запаса инструментов (возможно 1,5 тыс.), многие из которых могут оказаться излишне дублирующими.
Для устранения возможности такого дублирования предпочитают использовать сочетание установленного на станке дискового инструментального блока, который используется в качестве промежуточного инструментального накопителя, с центральным инструментальным складом. В этом случае напольный робот, оснащенный комплектом сменных захватывающих устройств (схватов), получает возможность обслуживать роботизированный технологический участок из двух токарных станков, загружая, разгружая и транспортируя заготовки, инструменты и кулачки зажимных патронов для устройства автоматической смены кулачков. Здесь, по-видимому, была бы наиболее эффективна установка многоярусного накопителя карусельного типа, оснащенного 100 или более стеллажами с заготовками, инструментами и кулачками (рис. 8.7).
Для многоцелевых станков существует несколько спе-
Рис. 8.7. Обслуживание технологического участка из двух токарных станков роботом, оснащенным сменными захватывающими устройствами (с помощью этого робота можно менять заготовки, инструменты и взаимозаменяемые кулачки зажимных патронов)
циальных систем инструментального обеспечения. Фирмы ”Пе- гар” (Бельгия) и японская ОКК (Osaka Kiko Kikai — ’’Осака Кико Кикаи”) разработали, например, системы, оснащенные стойками, несущими свыше 180 инструментов. Стойки располагают вблизи станков. В системе фирмы ОКК двухкоординатный робот, выполняющий операции типа ’’взять — поставить”, за 12 с переносит инструменты между стойкой и барабанным инструментальным магазином станка. Для смены инструментов в станке фирмы ’’Пегар” используют манипулятор, установленный у шпинделя станка. Аналогичная система разработана и фирмой ’’Мори Сейки”, где инструменты перевозят к устройству автоматической смены спутников на том же робокаре, который используют для перевозки заготовок.
Недостаток всех описанных выше систем состоит в необходимости остановки шпинделя при смене инструментов. В сущности слабым местом многих многоцелевых станков является возможность ввода инструментов в устройство их автоматической смены лишь в одной позиции — ближайшей к механической руке, вводящей инструмент в шпиндель. Как правило, при этом загрузка инструментов может происходить лишь при неподвижном шпинделе. Поскольку описанная система препятствует использованию полностью автоматической смены инструмента во время механической обработки, такие станки для ГПС выбирать не следует.
Фирмы Фриц Вернер (Зап. Берлин) и ’Терман Кольб” (ФРГ) выпустили гибкие участки, оснащенные автоматизированными системами инструментального обеспечения. На участке модели DFZ-630 фирмы ’’Фриц Вернер”, включающем два четырех координатных горизонтальных многоцелевых станка, установлены инструментальные стойки, рассчитанные на 120 инструментов. Устройство автоматической смены инструментов перемещается по порталу между этими стойками и обоими станками. На другом участке для перевозки как инструментов, так и заготовок используют портальный загрузчик, который захватывает спутник, базируя его по стандартному конусу ИСО. Теоретически это абсолютно правильно и наилучшим образом отвечает требованиям встроенной системы транспортирования инструментов, но практически так или иначе зависит от состава включаемых в эту систему рабочих циклов. Например, комплекты спутник — заготовка значительно тяжелее инструментов, что несколько снижает скорость перемещения загрузчика (рис. 8.8).
Однако для обеспечения максимальной загрузки оборудования наилучшим решением будет использование робокаров в качестве устройств смены инструмента. Для ГПС, включающей 10—12 станков, теоретически, например, достаточно даже одного робокара, но практически их нужно два с тем, чтобы 144
Рис. 8.8. Многоцелевые станки, оснащенные вспомогательными инструментальными стойками
никакие поломки не могли вызвать длительных простоев системы, а также для обеспечения текущей подзарядки аккумуляторов робокаров. В этом случае необходимость использования второго робокара возникает для обеспечения транспортирования инструментов, а в ГПС с небольшим количеством станков один робокар может выполнять обе работы, оставаясь к тому же непольностью загруженным.
При смешанной (ручной и автоматической) системе инструментального обеспечения оператор по данным, поступающим от управляющей ЭВМ, выбирает инструменты и составляет из них комплект для отправки на транспортную станцию. Затем подъезжает робокар, забирающий этот комплект инструментов и перевозящий их к многоцелевому станку. В ГПС фирмы ’’Окума”, например, на инструментальном участке имеется семь позиций, включающих зону выбора инструмента, устройство его предварительной настройки и заточный станок. На инструментальных станциях подготовка новых инструментов (включая при необходимости их предварительную настройку) производится иэ склада емкостью 500 инструментов.
Новый комплект инструментов вместе с ложементом транспортируется робокаром (для этой ГПС предусмотрен только один робокар) к столу многоцелевого станка. Инструменты меняют вручную при смене партии или износе инструментов до допустимых для них пределов. Однако в этом случае работа в ГПС должна быть организована таким образом, чтобы замена инструментов проводилась только в рабочие смены с обслуживающим персоналом (так происходит в ГПС фирмы ’’Окума”).
И все же автоматизация смены инструментов продолжает оставаться актуальной задачей. Фирма ’’Тойода машин уоркс” и институт IPA применили для этой цели робокары с установленными на них роботами, у института IPA собственной конструкции, а у фирмы ’’Тойода машин уоркс” — разработанные по специальному заказу. У робота семь степеней подвижности, что, по-видимому, превышает требуемое их количество. На робокаре установлен круглый инструментальный магазин емкостью 14 инструментов. Рядом с многоцелевыми станками расположено также несколько промежуточных инструментальных накопителей, оснащенных аналогичными круглыми магазинами, но рассчитанными на 20 инструментов. Робот может загрузить инструменты из центрального инструментального склада, передать их на промежуточный инструментальный накопитель и затем по мере необходимости устанавливать в инструментальные магазины станков. Наличие промежуточного инструментального накопителя позволяет системе робокар — робот очень быстро реагировать на поломку инструмента, поскольку в накопителе, как правило, всегда находится подходящий сменный инструмент.
Другими фирмами были разработаны небольшие инструментальные стойки или специальные блоки, рассчитанные на установку 5—10 инструментов, причем стойки и блоки устанавливают на спутниках для перевозки между инструментальными накопителями и устройствами автоматической смены спутников.
Стойка или блок перемещаются к столу станка таким образом, чтобы установленные на них инструменты могли быть переданы через шпиндель станка в его инструментальный магазин. Эту систему следует использовать лишь при очень длительных циклах обработки, поскольку ее применение противоречит одному из основных принципов ГПС — обеспечивать для станка максимальное практически возможное время резания.
Концепция иерархического построения системы инструментального обеспечения — от центральных инструментальных складов к промежуточным инструментальным накопителям и далее к инструментальным магазинам на станках — обладает большими достоинствами, позволяющими рекомендовать ее для применения в ГПС, особенно в крупных. Она принята, например, фирмой ’’Батлер машин тул” (Великобритания), поскольку эта фирма считает необходимым обеспечить неограниченную вместимость инструментальных складов. Вблизи каждого многоцелевого станка располагают промежуточный инструментальный накопитель. Передача инструментов между инструментальными складами, накопителями и магазинами станков производится посредством подвесной монорельсовой системы. Такая система, практически йе занимая производ- 146
ственной площади на полу цеха, обладает в то же время меньшей гибкостью, чем робокары, и может иметь более сложную конструкцию. Поскольку ее используют обычно при обработке крупногабаритных деталей, то возлагать на ту же систему дополнительные функции по перевозке инструментов практически нецелесообразно.
Хотя описанные выше автоматизированные системы инструментального обеспечения в эксплуатации еще не находятся, в нескольких ГПС, например фирм ’’Ситроен” и ’’Ямадзаки”, смена инструментов производится автоматически. В ГПС фирмы ’’Ситроен”, описанной в гл. 5 и показанной на рис. 5.10, установлены два многоцелевых станка и предусмотрена производственная площадь для третьего. Станки оснащены инструментальными магазинами на 50 инструментов каждый. Кроме того, имеется центральный инструментальный склад на 600 инструментов. В систему инструментального обеспечения ГПС входят также роботы с операциями типа ’’взять поставить” для инструментальных складов, по одному такому же роботу на каждом станке и один робокар.
Робот переносит инструменты со стоек центрального инструментального склада на горизонтально расположенный 20- позиционный барабанный магазин. Этот инструментальный магазин установлен на робокаре, который после заполнения роботом всех позиций перевозит его к загрузочной позиции, находящейся за каждым станком. Отсюда другой робот передает привезенные на робокаре инструменты в инструментальный магазин станка. Перед этим он забирал из магазина станка изношенные инструменты и переносил их в инструментальный магазин, находившийся на загрузочной станции. Оттуда они поступали на робокар для дальнейшей перевозки в центральный инструментальный склад.
Поскольку эти операции можно проводить без прерывания на станке процесса механической обработки (например, на некоторых многоцелевых станках фирм ’’Цинциннати Милак- рон”и ’’Тойода”), такой способ автоматизации транспортирования инструмента можно считать вполне приемлемым. Однако для его осуществления требуются дополнительные затраты на барабанные инструментальные магазины и роботы типа ’’взять — поставить”. Для многостаночной ГПС установка такого робота на каждом станке обойдется довольно дорого. Экономически эффективнее мог бы стать другой вариант: применение робокара, оснащенного роботом и ложементом для транспортирования инструмента, хотя несколько таких систем, рассмотренных выше, по-видимому, излишне усложнены.
Фирмой ’’Джобз” (Италия) разработаны робокары для одновременной перевозки примерно 40 инструментов. Перенос инструментов с робокаров в инструментальный магазин
станка, входящего в ГПС, производится установленным на нем роботом, работающим в прямоугольной системе координат. Как и в ГПС фирмы ’’Ситроен”, робот установлен здесь на каждом станке (сбоку от него) и выполнен в виде обычного манипулятора.
В качестве варианта этой системы рассмотрим горизонтальное расположение инструментов в вертикальных стойках, установленных на робокаре, оснащенном роботом. Для ускорения загрузки инструментальные склады можно выполнять поворотными (при необходимости с вращательным перемещением стоек), обеспечивая подвод на загрузочную позицию нужного инструмента. Робокары также можно оснастить инструментальными стойками или барабанными магазинами с горизонтальным расположением в них инструментов. Робот в этом случае был бы выполнен в виде механической руки простой конструкции, установленной на конце робокара с возможностью поворота по горизонтальной оси и отклонения примерно на 75° в обе стороны по вертикальной оси. Поворот в горизонтальной плоскости может быть выполнен с осью вращения посредине руки, в результате чего устройство, захватывающее инструмент, получит возможность горизонтального перемещения.
Установленная на робокаре инструментальная стойка может быть рассчитана на 10—50 инструментов. При перемещении робокара вдоль инструментального склада движения механической руке задают таким образом, что свисая с конца робокара, она получает возможность захвата инструментов из склада и загрузки ими стойки. После окончания загрузки робокар подъезжает к многоцелевому станку для обмена изношенного инструмента из его магазина на новый из инструментальной стойки. Поскольку у руки всего три степени подвижности, она имеет простую конструкцию, но может в то же время вводить инструменты как в многопозиционный барабанный магазин, так и в инструментальную стойку. Чтобы рука доставала до всех гнезд инструментальных магазинов большого диаметра (на крупных многоцелевых станках), ее можно установить на несложном подъемном устройстве. Обычно же магазину обеспечивают вращение в порядке подачи инструментов для руки (рис. 8.9).
В ГПС фирмы ’’Ямадзаки” между станками и инструментальными складами транспортируют непосредственно барабанные инструментальные магазины. В результате резко увеличивается количество включаемых в систему инструментов. В первой ГПС, введенной в эксплуатацию этой фирмой, два барабанных инструментальных магазина были установлены на колонках сзади станков. Они имели возможность продольного перемещения к станку для установки на нем. При необ-
Рис. 8.9. Принципиальная схема применения робокара с установленным на нем роботом для смены инструментов на многоцелевом станке
ходимости с помощью портального крана магазин вместе с колонкой направлялся на инструментальный участок. Эта система обладала определенными недостатками, например, приходилось подвозить к инструментальному складу магазины вместе с колонками, где они занимали довольно большую производственную площадь. Кроме того, портальный кран не обладал достаточной точностью и скоростью перемещения.
В результате проведенных усовершенствований в ГПС фирмы ’’Ямадзаки”, установленной на предприятии в г. Ми- нокамо (см. гл. 9), была принята другая система замены инструментов. Каждый станок в линиях по изготовлению рам и коробок скоростей был оснащен 40-позиционным барабанным инструментальным магазином. Эти магазины выполнялись съемными. Один из них был установлен непосредственно на станке, а другой — на горизонтальных салазках вдоль станка. Между двумя рядами станков проходит трасса для робокара, который, будучи оснащен такими же горизонтальными салазками, может по мере перемещения принимать магазины с обоих рядов станков. Таким образом, магазины, переходя со станков на робокар, транспортируются им как к инструментальным складам, так и- от них. Робокар может одновременно перевозить два магазина. Для установленных в двух линиях 19 станков всего используется 34 магазина.
На инструментальном участке применяют прибор фирмы ’’Сони” для контроля и измерений использованных инструментов, которые по результатам этой операции отправляются оператором либо в переточку, либо в лом. Перед повторной
Рис. 8.10. Подготовка инструментов на инструментальном участке ГПС фирмы "Ямадзаки”
установкой на станок после переточки у инструмента измеряют величину коррекции на изменение размеров и вводят ее в управляющую ЭВМ для подготовки к дальнейшему использованию на любом станке. После этого оператор снаряжает инструментом магазины (рис. 8.10).
Инструментальное хозяйство — одна из тех областей, где имеются расхождения между теорией и практикой. Про6к лема заключается в согласовании допусков на инструменты, инструментальные магазины и станки. Теоретически на инструментальном участке должна существовать возможность измерения величины коррекции на изменение размеров инструментов и ввода полученных данных в ЭВМ с тем, чтобы после оснащения инструментального магазина на любом станке вместе с инструментами поступали и правильные данные по их коррекции. Однако между фактическими размерами и измеренными величинами с учетом коррекции были обнаружены определенные расхождения.
С целью компенсации отклонений были сопоставлены данные для каждого магазина и для каждого станка. Это дало возможность использовать любой инструмент на любом станке, не прибегая для этого к ручной проверке. Этот пример наглядно показывает диапазон проблем, которые приходится решать при внедрении ГПС.
В целом же примененная фирмой ’’Ямадзаки” система смены инструментов достаточно дорога и имеет существенный недостаток: ее можно использовать на многоцелевых станках только одной модели. Кроме того, как показывает рассмотренный выше вопрос коррекции на изменения размеров инструментов, этой системе свойственны и ошибки. Таким образом, смену инструментов с помощью установленного на робокаре робота можно считать экономически более эффективным решением.
Но независимо от решения проблемы коррекции ГПС фирмы ’’Ямадзаки” работала достаточно четко, с небольшим количеством обслуживающего персонала и автоматизированной сменой инструмента. Таким образом, поскольку при проектировании в -ГПС заложена автоматизированная смена инструмента, некоторые сложности не мешают ей в течение некоторого времени работать без вмешательства обслуживающего персонала. Безусловно, если не предпринять попыток решения проблем загрузки, разгрузки и транспортирования инструмента, то в дальнейшем работа ГПС без вмешательства обслуживающего персонала постоянно будет затруднена, а в ряде случаев невозможна.
Уборка стружки. Традиционно для уборки стружки всегда требовалось вмешательство оператора и даже в механических цехах с небольшим количеством обслуживающего персонала ручная уборка большей части стружки не является чем-то необычным. Следует отметить, что существуют ГПС, где неэффективность систем уборки стружки привела к необходимости использования большего количества обслуживающего персонала, чем было первоначально запланировано.
Важность проблем, связанных с уборкой стружки, очевидна. Горизонтальные многоцелевые станки обладают в этом отношении определенными преимуществами, поскольку в достаточно полной мере используют естественное свойство стружки — падать вниз. Однако при выборе станков для ГПС их потенциальному оператору необходимо подробно ознакомиться с конструктивными особенностями этих станков. В некоторых из них, например, стол выполнен скошенным и перед стойкой находится наклонный защитный экран, в результате чего стружка падает в желоб. В него можно встраивать стружечные транспортеры шнекового типа, что позволяет автоматизировать уборку стружки (рис. 8.11).
Некоторые многоцелевые станки небольших размеров, например моделей Matchmaker FMS3/MA3 фирмы ’’Цугами” и BZ20 фирмы ’’Штейнель” (ФРГ), спроектированы таким образом, что заготовка установлена на них в вертикальном положении, обеспечивая хороший отвод стружки как от заготовки, так и и от инструмента. В этих станках контейнер
Рис. 8.11. Схема отвода стружки в желобРис. 8.11. Схема отвода стружки в желобРис. 8.12. Использование многоцелевых станков модели BZ20 фирмы ’’Штейнель” при обработке небольших деталей, установленных в вертикальном положении, что обеспечивает удобный сход стружкиРис. 8.12. Использование многоцелевых станков модели BZ20 фирмы ’’Штейнель” при обработке небольших деталей, установленных в вертикальном положении, что обеспечивает удобный сход стружки
Рис. 8.11. Схема отвода стружки в желоб
Рис. 8.11. Схема отвода стружки в желоб
Рис. 8.12. Использование многоцелевых станков модели BZ20 фирмы ’’Штейнель” при обработке небольших деталей, установленных в вертикальном положении, что обеспечивает удобный сход стружки
Рис. 8.12. Использование многоцелевых станков модели BZ20 фирмы ’’Штейнель” при обработке небольших деталей, установленных в вертикальном положении, что обеспечивает удобный сход стружки
для ее сбора устанавливают обычно ниже зоны резания. Однако и при наличии ковшового элеватора для уборки стружки станок следует проектировать таким образом, чтобы она не могла попадать на уступы или планки стола (рис. 8.12).
Наклонные станины токарных станков представляют собой гладкие поверхности, удобные для схода стружки и ее непосредственного попадания в поддоны. Обычно для удаления стружки из поддонов и передачи ее в крупные контейнеры применяют стружечные траспортеры. Контейнеры могут быть перевезены робокарами в зону переработки стружки.
Даже наличие естественного схода для стружки не снимает важных проблем ее уборки. У одних материалов, например титана, стружка фактически не образуется, а частицы удаленного металла стремятся собраться вокруг режущей кромки инструмента. У других, в том числе алюминия и некоторых сталей, наблюдается тенденция к образованию при токарной обработке непрерывной витой стружки, которую необходимо дробить с помощью стружколомов или применять для этого инструменты специального профиля.
Для удаления стружки с режущего инструмента и шпинделя наиболее часто применяют два способа: сдувание воздушной струей и смывание смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ). Для токарных станков с ЧПУ типа CNC обычной практикой является уменьшение частоты вращения шпинделя при направлении на него воздушной струи перед загрузкой следующей заготовки. В некоторых случаях по окончании механической обработки рабочую зону промывают СОЖ, которая, как предполагают, обеспечивает смывание всех ос- 152
татков стружки. Получается ли так на самом деле, зависит от конструкций станка и расположения сопел для подачи СОЖ (обычно их требуется более одного). На многих многоцелевых станках вокруг шпинделя располагают несколько сопел, которые способствуют удалению стружки с инструментов. Применение струи сжатого воздуха эффективно в том случае, если размеры стружки невелики, а сама она стремится забить инструмент и резцедержатель. В том и в другом случае практическая эффективность стружко- отвода определяется тщательностью ограждения.
Практически целесообразно также использовать сам станок для очистки его стола. Например, в инструментальный магазин наряду с другими инструментами может быть введен резиновый скребок. По окончании каждой операции механической обработки этот скребок можно вставлять в шпиндель станка и использовать его для очистки стола.
Те же функции может выполнять и робот, обычно используемый для загрузки заготовок или смены инструментов. В его руку вставляют шланг со сжатым воздухом или вакуумный насос. Для удаления стружки с инструмента или шпинделя робот может также использовать любую щетку. Если робот применен для смены инструмента, то для уборки стружки лучше всего использовать именно его, поскольку у таких роботов ’’наивысшая квалификация”. Обычно в этой позиции робот держит заготовку наготове для установки ее в зажимной патрон станка. Для удаления стружки из отверстий под резьбонарезание метчиком фирма ’’Мори Сейки” разработала на многоцелевых станках специальное приспособление. Оно включает контейнер с хвостовиком в виде стандартного конуса на одном конце, что позволяет ввести этот контейнер в инструментальный магазин станка. Внутри контейнера находятся две концентрические трубки — наружная и внутренняя, причем внутренняя связана с воздушной магистралью. На открытый конец наружной трубки насажен резиновый шланг. Контейнер передают из инструментального магазина в шпиндель станка. Если заготовка чугунная, шланг прижимают к ее поверхности. В этом случае шланг действует как уплотнение. Кроме того, сжатый воздух используют для выдувания стружки из отверстия и направления^ее в бункер, рассчитанный на сбор стружки, полученной в течение одной- двух рабочих смен.
Если материал при обработке образует витую стружку, ее нецелесообразно засасывать в бункер. В этом случае резиновый шланг не вводят в непосредственный контакт с заготовкой и воздушный поток выдувает витую стружку из отверстия на поверхность детали. Бункер рассчитан на количество стружки, получаемой в течение двух смен (рис. 8.13).
Рис. 8.13. Разработанный фирмой ”Мори Сейки” коллектор для сбора стружки надлома или скалывания (а) и сливной (б) :
— резиновый рукав; 2 — контейнер для стружки, рассчитанный на 1—2 дня работы
Необходимо также убедиться в том, что полностью удалена вся стружка. Особенно сложно это сделать при обработке алюминия. Однако из решений проблемы — расположить сопла
для подачи СОЖ таким образом, чтобы они были направлены по пути естественного перемещения стружки в наклонный стружкосборник и далее в поддон. Безусловно, нужно внимательно следить за тем, чтобы стружка не забила всю эту зону и не вызвала в результате необходимости вмешательства оператора.
Для очистки заготовки от стружки требуется провести несколько последовательных операций. В некоторых случаях в ГПС дополнительно включают моечную станцию, на которую и от которой заготовки доставляют с помощью робокаров. Иногда такую станцию выполняют в виде туннеля, оснащенного системой форсунок, распыляющих со всех сторон СОЖ на заготовку, и осушающим устройством. Нередко требуется более точный контроль выходящих из форсунок струй СОЖ. С этой целью фирмой ’’Элан прешер клин” (Великобритания) был разработан соответствующий агрегат, представляющий собой роботизированную моечную установку высокого давления. В других фирмах роботы используют для мойки готовых деталей (рис. 8.14).
С крупных заготовок, подвергаемых в основном фрезерованию, часто достаточно только удалить стружку. На предприятии фирмы ’’Ямадзаки” в г. Минокамо, например, корпусные детали средних размеров после окончания обработки поступают на кантователь, которые поворачивает их на 180° и обратно, позволяя убедиться в полном отсутствии стружки.
Однако для более крупных и тяжелых деталей, например рам, этот способ не подходит, поэтому фирмой ’’Ямадзаки” был установлен так называемый робот для очистки. Он работает в прямоугольной системе координат с тремя степенями подвижности, подвешен на траверсе, опирающейся на четыре опоры, и перемещается по этой траверсе таким образом, что обходит раму по контуру. При этом робот, оснащенный 154
Рис. 8.14. Использование робота для мойки деталей в ГПС фирмы ’’Ситроен”
всасывающей головкой, по мере своего обхода рамы всасывает стружку с полок и других поверхностей рамы.
Для эвакуации стружки со станков требуется сложная система стружкоудаления. Существует два варианта этой системы — перевозка стружки на робокарах (в функции которых нередко входит также перевозка заготовок и инструментов) или ее удаление с помощью конвейеров или вакуумных магистралей.
Система вакуумных магистралей обладает некоторыми преимуществами. Во-первых, эти магистрали, подсоединяемые к роботу, в случае необходимости, можно использовать для
сбора стружки со столов станков, а также для удаления ее в конце каждого цикла обработки с других участков, определяющих работоспособность станка. Во-вторых, система применима для удаления стружки со станков и транспортирования ее непосредственно в центральный коллектор,хотя,разумеется, на крупном предприятии для этой цели требуется разветвленная сеть насосов и трубопроводов. В качестве примера можно сообщить, что на одном предприятии к трубопроводам, общая длина которых насчитывала 1 км, было подсоединено 130 станков. Вакуум в этих трубопроводах создавался тремя вакуумными насосами с помощью привода у каждого по 45 кВт. Таким образом, для функционирования этой системы требуется большое количество энергии. На обычном предприятии работу по перевозке стружки можно выполнить с помощью нескольких грузовых автомобилей.
Каналы для транспортирования стружки могут быть проделаны под полом цеха. Для перемещения стружки в центральный коллектор можно использовать также открытые каналы либо установить подвесные трубопроводы. Существует несколько способов сбора стружки со станков и направления ее в подвесные трубопроводы, например с помощью шнековых транспортеров, пластинчатых (оснащенных пластинами с зубцами) и всасывающих насосов или конвейеров с боковыми ограждениями. Не все эту способы эффективны при траспор- тировании мелкой стружки, особенно снизу вверх. Использование для транспортирования стружки открытых каналов с мостиками в отдельных местах практически эффективно лишь при фактическом отсутствии на предприятии обслуживающего персонала. Этот метод прост в исполнении и несложен в эксплуатации. При использовании всасывающей системы трубопроводы, разумеется, следует оснащать уплотнительными устройствами.
Однако все описанные выше системы транспортирования стружки обладают существенными недостатками. Во-первых, они требуют прокладки постоянных трубопроводов, ограничивающих гибкость системы. Во-вторых, все задействованные в системах механические узлы и устройства подвержены износу, особенно сильному при контакте со стружкой, обладающей, как известно, высокими истирающим свойствами. Это серьезно осложняет эксплуатацию системы, особенно через некоторое время после ее пуска. В-третьих, электрические приводы механизмов системы работают практически постоянно, что приводит к сравнительно высокому потреблению энергии.
Приведенные выше соображения определяют особую привлекательность идеи удаления стружки с помощью робокаров. Не изменяя принятой для станка системы удаления стружки, последнюю разгружают в контейнеры стандартных размеров, 156
емкость которых должна быть рассчитана не менее чем на одну смену работы станка. Для обеспечения возможности установки на робокары, аналогичные применяемым для перевозки небольших заготовок и инструментов, контейнеры не следует располагать на полу цеха. При удалении стружки один раз в смену не произойдет перегрузки транспортной системы, как не должно возникнуть и проблем с робокарами, которые в установленном порядке будут перевозить заготовки, инструменты и стружку
Дополнительное преимущество при использовании робокаров для перевозки стружки заключается в значительном упрощении разделения стружки из различных материалов и сплавов и дальнейшего ее восстановления. При системе трубопроводов это довольно сложно и может оказаться даже невозможно. В пользу применения робокаров, говорит и то, что их обслуживание не станет дополнительной нагрузкой для эксплуатационников.
Однако и в том случае, когда обеспечена эффективность инструментального обеспечения и уборки стружки позволяющая механическому цеху работать без вмешательства обслуживающего персонала, проблемы эксплуатации оборудования сохраняют свою остроту. В настоящее время станки, как известно, не могут обслуживать себя самостоятельно, хотя в их системы управления вводят некоторые диагностические программы. Кроме того, необходимо заменять или перетачивать инструменты и вывозить стружку, скопившуюся в процессе обработки в центральном коллекторе.
Работы, проведение которых требуется в ГПС, настолько отличаются от работ, проводимых обычно на предприятиях, что их описанию посвящена гл. 18. Что же приходится делать при эксплуатационном обслуживании ГПС? Кроме обслуживания инструментального хозяйства внимания периодически требуют и сами станки. Например, стружка может попасть в те места, где ее не должно быть; требуется периодическое пополнение уровня смазочного масла в станках и обновление СОЖ. Неизбежны также незначительные регулировки станков. Кроме того, необходимо обслуживать робокары — подзаряжать аккумуляторные батареи и пополнять в них уровень электролита. Подвергаются износу и поломкам спутники и зажимные приспособления. Для повышения производительности нужно время от времени менять или пересматривать управляющие программы механической обработки.
Пока эти работы не будут выполнены полностью, исключено функционирование ГПС с запланированным коэффициентом использования оборудования. Это означает, что они не обеспечат ожидаемой прибыли на инвестированный капитал. Стремясь рационализировать эксплуатацию некоторых реаль-
ных систем, фирма МВБ (’’Мессершмит — Бельков — Блом”) (ФРГ) интегрировала систему их эксплуатационного обслуживания с системой управления средствами производства. Суть такой интеграции в том, что, поскольку каждый станок, инструмент и прочий элемент оборудования подвержены износу, то задача обслуживающего персонала состоит в непрерывной компенсации возникающих потерь (примерно так же, как пополняют некую емкость, в которой имеется небольшое отверстие) . По системе, принятой фирмой МВБ, опыт, приобретенный при эксплуатации ранее введенных в действие предприятий, автоматически в порядке обратной связи передается для учета при разработке следующих участков предприятия.
Техническое обслуживание обычно подразделяют на механическое и электрическое совместно с электронным. Соответствующим образом готовят и обслуживающий персонал. Выполняемые работы в свою очередь распределяют по приоритетам, отыскивая слабые места в каждой системе. Фирмой МВБ принят долгосрочный подход к техническому обслуживанию. С этой целью разработана базовая система сравнения долгосрочных производственных планов подразделений. Однако фактически стратегия базируется на среднесрочном планировании с оценкой влияния различных неисправностей на рассчитанную при таком планировании производительность. Затем 'составляют список приоритетовотражающий те области, где в режиме среднесрочного функционирования неполадки оказывают наихудшее влияние. Этот список важен потому, что в реальной ситуации существует тенденция ремонтировать наиболее крупный станок или тот, оператор которого настаивает на ремонте больше всех, или тот, поступление продукции с которого в данный момент отстает от графика независимо от причины этого отставания.
В эксплуатационное обслуживание включен также анализ отчетов контрольно-измерительной службы, поскольку таким путем можно определить тенденции к возникновению неисправностей. Для указания обслуживающему персоналу участков возникновения потенциальных проблем и в целях производительности последующих систем используют метод анализа ’’слабых мест”. Для реальной оценки расходов на обслуживание стоимость эксплуатационных работ сравнивают с экономией, полученной в результате сокращения простоев при осуществлении этих работ. Однако фирма допускает наличие определенных сложностей при расчете фактической экономии, полученной за счет внедрения запланированного обслуживания. Поэтому в большинстве цехов не делалось даже попыток осуществления таких расчетов. Экспериметально установлено, что к основным причинам простоев следует отнести: текущий ремонт (56%), профилактическое обслуживание и ревизию 158
(13%), модернизацию оборудования (17%), а также причины нетехнического характера, например, ожидание проведейия мероприятий, указанных выше (14%). Кроме того, установлено, что 40% времени затрачивается на выполнение текущих и профилактических ремонтов, 22% времени требуется персоналу, чтобы отреагировать на возникновение неисправности и еще 20% на ее диагностику.
Хотя эта система может показаться имеющей сугубо теоретический и методический характер, она все же определяет количественное и одновременное качественное влияние эксплуатационного обслуживания на характеристики будущего предприятия. Другими словами, она создает здоровую основу для развития прогрессивных решений, тогда как в неподвергаю- шейся таким исследованиям системе у персонала возникает тенденция к учету не всех проблем, а лишь определенных, вызвавших наибольшее количество неисправностей на начальных этапах внедрения прежнего предприятия. Практически такие неисправности могут не быть фундаментальными, а без достоверных фактов этого нельзя доказать. Для доказательства важности надлежащего внимания к эксплуатационному обслуживанию его стоимость необходимо сопоставлять с увеличением убытков из-за простоев оборудования или расходов на инструментальную оснастку, которое произошло бы в случае сокращения объема планово-предупредительного ремонта.
Эксплуатационное обслуживание в ГПС следует систематизировать так же, как систематизированы механическая обработка и загрузка, выгрузка и транспортирование инструмента. Использование ЭВМ делает это значительно более практически осуществимым, чем прежде. В то же время при незначительном количестве обслуживающего персонала, характерном для ГПС, персоналу, занимающемуся эксплуатационным обслуживанием, удобно проводить его в промежутке между выполнением других работ. Отсюда возникает необходимость в совершенно новом подходе к методу обучения и использования этого персонала.
Следовательно, в целом эксплуатация ГПС — это совсем другая область, где самая отлаженная и сданная под ключ система не заработает до тех пор, пока администрация не будет полностью • в курсе дел относительно ее инструментального обеспечения, уборки стружки и эксплуатационного обслуживания и не подготовится к тому, чтобы, затратив разумную сумму денег в каждой из перечисленных областей, обеспечить в процессе использования системы получение соответствующих прибылей.
ГЛАВА 9. ГПС С ШИРОКИМИФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ возможностями
Хотя цель объединения многих технологических процессов в гибкую систему достаточно ясна, вопрос состоит в том, как при таком объединении получить настоящую ГПС. Опыт показывает, что для получения хороших результатов необходим системный подход, заключающийся в постепенном переходе от создания вначале малых систем к созданию в дальнейшем более крупных. Ясно также, что для внедрения действительно крупной системы необходимо немалое мужество и что при этом нужно постоянно помнить о главных целях создания ГПС — резком сокращении. количества обслуживающего персонала и расширении номенклатуры обрабатываемых изделий. Кроме того, если система и не полностью подходит под определение ГПС, тем не менее для ускорения окупаемости производство нужно развертывать как можно быстрее. Среди немалого количества запущенных в эксплуатацию ГПС по смелости решения и уровню автоматизации особое место занимают ГПС, созданные японскими фирмами ’’Ямадзаки” (ГПС на предприятии в г. Минокамо) и ’’Фанук” (завод-автомат по производству электродвигателей).
Обе фирмы обладают немалым опытом эксплуатации ГПС, в том числе крупных. Предприятие в г. Минокамо, например, было четвертой по счету ГПС фирмы ’’Ямадзаки”. Этой фирмой уже установлены ГПС на своем головном предприятии в г. Огути, на фирме ’’Ямадзаки-Сейко” и на предприятии своего филиала в США. Фирма ’’Ямадзаки”, будучи крупным производителем станков с ЧПУ типа CNC , создавала свои ГПС для механической обработки самых разнообразных деталей этих станков — от небольших втулок до крупных станин. Ко времени выхода предприятия в г. Минокамо на проектную мощность 60% деталей на нем обрабатывалось в ГПС.
ГПС, установленная на предприятии в г. Огути, представляет собой два ряда многоцелевых станков, обращенных друг к другу тыльными " сторонами. Каждый ряд обслуживается рельсовой тележкой. Между рядами имеется центральный проезд, по которому может перемещаться мостовой кран. Многоцелевые станки оснащены сменными инструментальными магазинами барабанного типа, установленными сзади станков на колонках. Эти магазины вместе с колонками образуют отдельные узлы, перемещаемые мостовым краном от станков к инструментальному участку и обратно. Первый ряд включает восемь горизонтальных станков, предназначенных для круглосуточной обработки передних бабок 23 типоразмеров с месячной производительностью 800 шт. Второй ряд включает семь вертикальных и три горизонтальных станка, служащих 160
для обработки станин, оснований и кареток 50 типоразмеров с месячной производительностью 650 шт. С обслуживающим персоналом ГПС работает в две смены, по безлюдной технологии — в одну.
Первая ГПС фирмы ’’Фанук” установлена на предприятии вблизи г. Фудзияма и предназначается для обработки широкого диапазона (250 типоразмеров) деталей небольших многоцелевых и электроэрозионных проволочно-вырезных станков и роботов. Диапазон обрабатываемых размеров колеблется в широких пределах —- от 250X100X100 мм (для небольших кронштейнов) до размеров, типичных для станин станков. В ГПС входит 23 многоцелевых станка самых различных типоразмеров и семь токарных. Все токарные станки и один небольшой многоцелевой обслуживаются роботами.
К числу важнейших особенностей этой ГПС относятся наличие двух многоярусных складов с автоматическим хранением и поиском, причем один склад предназначен для хранения заготовок, а другой — для хранения готовых деталей. Между складами, промежуточными накопителями спутников и участком контроля перемещаются робокары. В дневную смену ГПС обслуживают 15 человек, передающих заготовки из промежуточных накопителей спутников к станкам или пристаночным накопителем спутников и выполняющих эксплуатационное обслуживание. На участке контроля занято четыре человека. В течение остальных двух смен ГПС должна работать без участия обслуживающего персонала. Однако на практике, в связи с тем что длительность безлюдных механических операций зависит от размеров спутников и циклов обработки, некоторые станки могут работать без участия обслуживающего персонала не более 7 ч. И все же у большинства станков имеется возможность работы в безлюдном режиме в течение двух смен.
ГПС фирмы ’’Ямадзаки” на предприятии в г. Минокамо, включающая в общей сложности 43 станка с ЧПУ типа CNC и 17 роботов, может служить подлинным примером предприятия будущего. В нее входит также гибкий производственный модуль для изготовления деталей из листового материала. Фланцы, валы и небольшие призматические детали подвергают токарной обработке, фрезерованию, сверлению, резьбонареза- нию и шлифованию, корпуса коробок передач и крупногабаритные станины — механической обработке, газопламенной закалке и шлифованию, детали из листового металла вырубают, профилируют и сваривают.
Управление всеми операциями механической обработки производится от ЭВМ. Перевозку заготовок с внешней зоны загрузки на различные участки ГПС осуществляют с помощью робокаров. В этой ГПС выполнены различные интересные раз-
работки вспомогательного оборудования, например, роботов. Так, один из роботов обеспечивает очистку деталей от стружки, а другой загружает заготовки на спутники.
Капиталовложения фирмы ’’Ямадзаки” в предприятие (за вычетом стоимости земельного участка) составили 40 млн. ф.ст. На этом участке (площадью 330 тыс. м2) оно занимает площадь 49 тыс. м2. При численности персонала предприятия 240 человек и трехсменной работе потенциальный выпуск составляет 120 токарных и многоцелевых станков в месяц. Всего на предприятии установлено 60 станков с ЧПУ типа CNC и 28 универсальных станков с ручным управлением, а также 12 робокаров и шесть ЭВМ. Фирмой ’’Ямадзаки” это предприятие названо ’’система 21”.
Оно имеет прямоугольную конфигурацию и скомпоновано из трех пролетов, обслуживаемых шестью робокарами. Для каждой линии предусмотрена одна рельсовая тележка, с помощью которой перевозят заготовки между пристаночными накопителями спутников. В первых двух секциях первого пролета оборудование отсутствует и в дальнейшем эти секции намечаются к использованию под сборку. На другом конце пролета установлены ГПС для изготовления фланцев и валов. Эти ГПС располагаются в один длинный ряд и разделены общей площадкой для терминалов управляющей ЭВМ (рис. 9.1).
С противоположной стороны первого пролета расположены несколько плоскошлифовальных станков и небольших многоярусных складов с автоматическим складированием и поиском, а также станция роботизированной загрузки для линии механической обработки корпусных деталей коробчатого типа. Сама же линия расположена в среднем пролете, где также находится линия механической обработки базовых деталей. Между этими двумя линиями, станки которых расположены тыльными сторонами друг к другу, проложен рельсовый путь для тележки, предназначенной для перевозки сменных барабанных инструментальных магазинов на инструментальный участок и от него.
В третьем пролете установлены крупный пятикоординатный многоцелевой станок и оснащенный ЧПУ станок для шлифования станин. Оба станка образуют участок обработки крупногабаритных базовых деталей, колонн и станин массой 5 ... 25 т. В этом же пролете находятся агрегат для пламенной закалки и сборочный участок. На втором этаже расположен участок ручной узловой сборки передних бабок и коробок передач. Для передачи обработанных деталей между первым и вторым этажами производственного корпуса служат автоматические подъемные устройства. Тем самым осуществлена автоматизация фактически всех загрузочно-разгрузочных и транспортных работ.
о 3 cd X О В в 2
в
s
со 5
«
у В в о н о к co S
К
s e*
mQ S д в
о в cd СО
Ф
У В Д
У .А
Sto 5 о X Q-
•S ’8 •а В «5 >>0 ^ со
a в о к о в
-s
в в в cd н у
В
3 cd Д
8 3 В
cd В S
о к о
>> a к cd co
oo
В т >>10 д о v Д * о
Е х в >в
у В в о н о к со В
К В в В в
cd X % о В о
в о в cd В
S
в у sr s cd В
о 5 н о Ч
М 5 в у >> В Д О X
в cd В О У Л В
У д
У в в о н о у и В
К В В В в
в В S У в § н о 1н СП
s
робокар
§^
S о X о В о в
в
S у В
в о a s
<м „ st
.^s
в X д о ю
У
X о н У cd
о 5
2 3 в о со й
5* -
К 1 В - В
В X у
S В 8 о § й 5 о н и cd
Рис. 9.2. Роботизированный технологический комплекс на базе токарного обрабатывающего центра
Для доставки и распределения заготовок по цеху служит главный проезд шириной Юме боковыми проездами, отходящими под прямым углом к пролетам. Перевозка заготовок и готовых деталей между линиями и подъемными устройствами осуществляется шестью робокарами, которые, однако, сами станки не обслуживают.
Линия для обработки фланцев состоит из семи токарных обрабатывающих центров модели Slant Turn 40N МЩ, оснашен- ных устройствами ЧПУ типа CNC, и трех многоцелевых станков — двух горизонтальных и одного вертикального. В конце линии расположена зона управления с двумя ЭВМ: одной — для управления линией обработки фланцев и другой — для управления соседней линией обработки валов. Там же находится позиция доставки заготовок. К зоне управления прилегает линия обработки валов, включающая пять таких же токарных центров, которые входят в линию обработки фланцев, вертикальный многоцелевой станок и круглошлифовальный станок, оснащенный устройством ЧПУ типа CNC (рис. 9.2).
Линии обработки фланцев и валов отличаются несколькими новыми решениями. Следует отметить, что конструктивно новыми являются сами токарные обрабатывающие центры, оснащенные 15 -позиционными рев о льверными г ол ов ками, в которых установлены фрезы для торцового и концевого фрезерования, инструменты для сверления и резьбонарезания как на торцах, так и на периферии заготовок. В результате операции, проводимые обычно на небольшом многоцелевом станке, можно выполнять на токарном обрабатывающем цент-
?е, что сокращает время загрузки и количество переналадок.
Каждый станок линии обработки валов обслуживается роботом модели ’’Флекс” (Flex) фирмы ’’Ямадзаки”, установ- ленным на передней части станка. Его дополняет комплексная система доставки заготовок. Необходимость применения такой системы вызвана коротким циклом обработки на станке. Заготовки перевозят на универсальных спутниках, выполненных в виде дисков емкостью каждый 6—10 заготовок. Из этих заготовок изготавливают валы длиной около 500 мм. Валы удерживаются на спутнике зажимными устройствами (рис. 9.3).
Рядом с каждым станком находится приемный стол для спутников с заготовками, а за ним колея для рельсовой тележки, обслуживающей линию. Для каждой линии (фланцев и валов) предусмотрено по одной такой тележке. На дальнем конце колеи расположен центральный накопитель спутников, в котором позиции спутников располагаются в одну линию, причем на каждый станок приходится по три позиции. Позиции находятся между рельсовой колеей и одним из боковых проездов, по которому перемещаются робокары общего назначения (рис. 9.4). Они предназначены для перевозки загруженных заготовками спутников из подготовительного участка непосредственно к центральному накопителю спутников. За рельсовыми тележками остаются функции челночного перемещения между пристаночными накопителями спутников и стан-
Рис. 9.3. Обслуживание линии изготовления валов рельсовой тележкой (задача робокара состоит в загрузке накопителей спутников)
Хк- 9.4, Участок управления линий изготовления фланцев и валов с ручной сменой инструментов
■ ;^ми. расположенными рядим со станками, и перевозки спутников между ними но мере надобности.
Хотя па линии обработки валов выполняются все токарные цзрезерные операции, их закалку проводят вне предприятия на заводе фирмы-субподрядчика и снова возвращают валы на ЭТУ .пинию для. окончательного шлифования. По сообщению фирмы ’’Ямадзаки”, среднее время обработки на двух линиях составляет 20 мин, причем наибольшее время тратится на об- раоичку валов (75 мин, включая 25 мин, требующихся для их загрузки-разгрузки и транспортирования). На этих линиях ложно обрабатывать детали 435 типоразмеров — валов, колец, корпусов и фланцев при потенциально возможном объеме выпуска 9 гыс. деталей в месяц, при этом 1600 из них приходятся на долю валов 35 типоразмеров.
В линию обработки корпусных деталей коробчатого типа ьаоцят 12 горизонтальных многоцелевых станков и небольшой многоярусный склад с автоматическим складированием 1 поиском, рассчитанный на 228 спутников, что эквивалентно кирузке оборудования в течение 348 ч при обработке на линии коробок передач, корпусов передних бабок, револьверных головок, кареток и прочих корпусных деталей. Среднее время обработки этих деталей составляет 6 ч при потенциальном объеме выпуска в месяц 1200 деталей 85 типоразмеров (рис. 9,5).
Эта линия и соседняя с пей линия обработки базовых деталей ио компоновке в основном аналогичны ГПС фирмы ’’Ямадзаки”, установленной на предприятии в г. Огути, но
в них внесены некоторые изменения. Для каждой линии предусмотрена, например, рельсовая тележка, перемещающаяся между накопителями спутников и устройствами их автоматической смены на станках и по мере необходимости перевозящая туда заготовки для обработки.
Несмотря на оснащение каждого многоцелевого станка, входящего в линии обработки базовых и корпусных деталей, 40-позиционным барабанным инструментальным магазином, этого комплекта инструмента недостаточно для обработки заготовок всех типоразмеров. Поэтому инструментальные магазины выполняют съемными и обычно на станках, установленных в линии обработки корпусных деталей, один магазин находится в работе, а другой лежит на горизонтальных салазках возле станка. Посредством рельсовой тележки, рассчитанной на перевозку одновременно двух магазинов, их транспортируют между станками и инструментальным складом. Обе эти линии — единственные, в которых смена инструмента полностью автоматизирована (рис. 9.6).
Один оператор занят в инструментальной кладовой ручной загрузкой и разгрузкой инструментов, а также измерением (с помощью контрольно-измерительного прибора фирмы ’’Сони”) параметров инструментов, полученных после переточки, производимой по мере необходимости. Перед повторным использованием инструмента (установкой в инструменталь-
Рис. 9.5. Участок из 12 многоцелевых станков для изготовления корпусных деталей коробчатого типа
Рис. 9.6. Оснащение многоцелевых станков, установленных в линиях изготовления базовых и корпусных деталей коробчатого типа, барабанными инструментальными магазинами, рассчитанными на большое количество инструментов
ный магазин) определяют коррекцию на изменения его размеров и полученные данные вводят в управляющую ЭВМ для подготовки к использованию на любом станке.
На линии обработки базовых деталей, где цикл длится в среднем 12 ч, месячная производительность составляет 240 деталей 40 типоразмеров — станин, колонн, кареток и оснований. В эту линию входят многоцелевые станки фирмы ’’Ямадзаки” — шесть горизонтальных модели YMS-H50Q и один вертикальный модели V-20. Робокар рассчитан на перевозку двух заготовок массой 8 т каждая.
Рядом с многоярусным складом с автоматическим складированием и поиском между линиями обработки валов и базовых деталей находится робот большой грузоподъемности, предназначенный для установки заготовок. Его используют для подъема заготовок на стандартизованные спутники и фиксации заготовок в зажимном приспособлении. Затем робот переносит установленные на спутниках заготовки в многоярусный склад. В дальнейшем этот комплект передают на линию обработки.
Нередко заготовку требуется повернуть таким образом, чтобы можно было ее обработать с пятой стороны. В этом случае заготовку возвращают на подготовительный участок, где ее загружают на специальный кантователь, с помощью которого и поворачивают. Затем робот вновь устанавливает заготовку на спутник. По завершении обработки детали передаются 168
в кантователь, с помощью которого их переворачивают на 180° и затем обратно в исходное положение, обеспечивая гарантированное удаление стружки с наружной поверхности.
Поскольку для крупногабаритных деталей подобная процедура практически неосуществима, фирма ’’Ямадзаки” установила для таких деталей робот собственной конструкции. Этот робот предназначен для очистки деталей от стружки и подвешен на балке, установленной на четырехстоечном каркасе. Он оборудован всасывающим устройством. Перемещения робота можно запрограммировать по осям координат X, Y,Z, поэтому у него имеется возможность движения по контуру детали и всасывания стружки с ее фланцев и других поверхностей. Имеется центральная система стружкоудаления, куда направляется стружка со всех линий обработки. Удаление стружки непосредственно с деталей обычно производится автоматически.
Разработанный фирмой ’’Ямадзаки” агрегат для газопламенной закалки оснащен устройством ЧПУ типа CNC. Закалка осуществляется при его перемещении вдоль заготовки. Этот агрегат расположен в третьем пролете, поэтому заготовки перевозятся туда робокаром через весь цех к приподнятым направляющим, находящимся на одном уровне с верхней частью этого робокара. Затем спутник с заготовками по направляющим перемещается в конец линии станков, доходит по направляющим до другого робокара и соскальзывает на него, после чего тот подает заготовки к агрегату для газопламенной закалки.
Кроме этого крупного цеха, включающего пять ГПС, в состав предприятия входит также небольшой цех металлообработки. Последний оснащен прессами с ЧПУ типа CNC: двумя листоштамповочными и тремя кромкогибочными, а также двумя сварочными роботами. Кроме того, имеются участки узловой и общей сборки и окрасочный цех. Фирма ’’Ямадзаки” в термоконстантных корпусах предприятия в г. Минокамо выпускает шариковые ходовые винты.
Фирма планирует поставить всю систему под контроль ЭВМ, расположенной в главной конторе предприятия. Связь с этой ЭВМ должна поддерживаться по телефону и через модемы. Однако конкретных сроков фирма не называет. В настоящее время все пять ЭВМ предприятия в г. Минокамо ра- батают независимо друг от друга. Требуемые данные вводятся в них операторами с отдельных пультов, поэтому автоматизированный цех фактически представляет собой несколько собранных вместе отдельных небольших ГПС. Крупными станками с ЧПУ типа CNC и агрегатом для газопламенной закалки косвенно управляет лишь транспортная ЭВМ, предназначенная в основном для управления доставкой заготовок. На практи-
ке, однако, такая система показывает неплохие результаты.
Одну ЭВМ используют для управления линиями обработки корпусных, коробчатых и базовых деталей, другую (небольшую ЭВМ) применяют для управления линией обработки фланцев и третью — для управления линией обработки валов. Имеется также ЭВМ для управления транспортной системой и ЭВМ для управления системой кондиционирования воздуха и регулирования потребления энергии. Фирма утверждает, что у операторов не возникает трудностей при пользовании этими пятью ЭВМ, поскольку они, как и устройства ЧПУ типа CNC, оснащены речевым вводом программы. Ввиду независимости этих систем одна от другой выход из строя одной из них не влияет на работу других.
На начальном этапе эксплуатации предприятие работало 15 ч в сутки. Его штат составлял 240 человек, которые фактически все время находились на предприятии. Теперь для обслуживания ГПС требуется 39 человек: по три человека в смену на линиях обработки валов и фланцев, по четыре на линии обработки базовых деталей и по пять на линии обработки корпусных деталей коробчатрго типа. Три человека требуются для загрузки заготовок на робокары за пределами цеха и один должен находиться в инструментальной кладовой. В третью смену система работает без вмешательства обслуживающего персонала. Она имеет потенциальные возможности превращения в безлюдную и в течение второй смены. Около 80 человек занято на сборке.
На начальном этапе эксплуатации возник ряд трудностей, преимущественно с токарными станками и инструментальной оснасткой. Большое число простоев токарных станков было связано с совершенствованием управляющих программ в целях улучшения захвата и закрепления заготовок.
Эту ГПС можно считать значительным достижением по целому ряду причин. В ней широко использованы токарные обрабатывающие центры. Это сокращает время переналадки и удлиняет машинное время, что в свою очередь сокращает относительное время загрузки-разгрузки. Роботизация обслуживания станков фактически превращает их в безлюдное оборудование. Полностью исключена необходимость в разметке заготовок и предварительной обработке базовых платиков и отверстий. Одним из новшеств в этой ГПС является использование роботов для установки заготовок на спутники и для очистки деталей от стружки. Однако коэффициент использования этих роботов кажется довольно низким, а ’’неуклюжий” погрузочно-разгрузочный робот, которому требуется помощь кантователя, в настоящее время, по-видимому, не обладает достаточной эффективностью. В то же время его применение показывает одно из направлений дальнейшего развития. Нема- 170
ловажно также объединение процессов газопламенной закалки и плоского шлифования.
Фирма ’’Ямадзаки” предпринимает значительные усилия для сокращения на этом предприятии количества обслуживающего персонала и времени обработки. Она рассчитывает, что капиталовложения в предприятие (40 млн. ф.ст.) окупятся через 3,5 г., и полагает, что его рентабельность сохранится даже при 33% загрузки производственных мощностей, т.е. при односменной работе.
Кроме того, общий производственный цикл изготовления токарного станка доведен в настоящее время до 4 недель вместо 12 до установки этой системы. Более того, фирма рассчитывает, что сможет в дальнейшем сократить его еще больше — до 7 дней.
ГПС фирмы ’’Фанук” для механической обработки и сборки. Фирма ’’Фанук” основную продукцию которой составляют устройства ЧПУ типа CNC, серводвигатели постоянного и переменного тока, небольшие многоцелевые станки и электроэро- зионные проволочно-вырезные станки, а также роботы, организовала новое отделение по производству серводвигателей постоянного и переменного тока. Оно находится рядом с ее первой ГПС на предприятии у подножия горы Фудзи. Выпуск серводвигателей постоянного тока планировался в диапазоне мощностей 0,3 ... 22 кВт и переменного тока — 0,02 ... 2,8 кВт. Кроме того, в программу выпуска этого отделения входят электродвигатели главного привода. Во время организации предприятия потребность существовала главным образом в серводвигателях постоянного тока, но уже тогда начинался переход на серводвигатели переменного тока, требующие меньшего объема обслуживания. Безусловно, специалисты фирмы ’’Фанук” не знали ни того, насколько быстро произойдет этот переход, ни соотношения через 3 ... 5 лет между объемом выпуска серводвигателей постоянного и переменного тока. Поэтому идея организации гибкого автоматизированного производства была для них довольно заманчивой.
Новое предприятие представляет собой компактное двухэтажное здание размерами 200X60 м. Механический цех размещается на его первом этаже, сборочный — на втором. Стоимость предприятия составила 17 млн.ф.ст., что немногим меньше стоимости первого предприятия фирмы ’’Фанук”. Оно управляет ЭВМ, обеспечивающей также составление план-графиков по выполнению заказов, поступающих из главной конторы фирмы. Ежемесячная производительность предприятия при трехсменной работе составляет 10 тыс. серводвигателей 40 типоразмеров. Кроме того, детали для электродвигателей 900 типоразмеров обрабатывают партиями 20—1000 шт.
В механическом цехе установлено 60 станков с ЧПУ типа
Рис. 9.7. Первая ГПС фирмы ’’Фанук”, предназначенная для механической обработки широкой номенклатуры деталей
CNC. Загрузка и разгрузка 52 из них производится роботами. Остальные восемь станков (это крупные многоцелевые станки) оснащены многопозиционными накопителями спутников, рассчитанными каждый на 12 спутников. На втором этаже установлено 49 роботов, распределенных по 25 сборочным комплексам, которые расположены в один ряд. Роботы выполняют большую часть сборочных работ.
Важным компонентом траспортно-накопительной системы является крупный многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском, располагающийся на обоих этажах здания. Его используют для хранения заготовок, комплектующих деталей и узлов, полученных от поставщиков, полуфабрикатов и полностью обработанных деталей. Заготовки и детали, хранящиеся на складе, не требуют устройства подъема и опускания с одного этажа на другой. Это облегчает их перемещение между складом и накопителями спутников гибких производственных модулей и сборочных комплексов (рис. 9.7).
Станки в механическом цехе расположены в пять рядов, причем крайний включает восемь упомянутых выше многоцелевых станков, оснащенных накопителями спутников. Эти станки, так же как и на первой ГПС фирмы ’’Фанук”, загружают вручную. Однако емкость их накопителей спутников достаточно велика, чтобы в течение 16 ч обеспечить обработку без вмешательства обслуживающего персонала. В остальные четыре ряда входят оснащенные ЧПУ CNC 44 токарных и восемь круглошлифовальных станков, причем у каждого из
них имеется собственная система контроля и компенсации износа режущего инструмента.
На предприятии широко используют робокары — два работают на первом этаже и пять на втором. С их помощью выполняют загрузочно-разгрузочные и транспортные операции, в том числе перевозку к накопительным станциям, расположенным вблизи роботов, стандартизованных спутников, вмещающих обычно каждый 20—50 заготовок (этого достаточно для нескольких часов работы станков без вмешательства обслуживающего персонала). Для каждого технологического комплекса предусмотрены станции приема стандартизованных спутников. В конце каждой станции установлены мониторные и управляющие устройства. Каждая станция рассчитана на три спутника: один с заготовками, другой в работе и третий с обработанными деталями подготовлен для перевозки их на склад (рис. 9.8).
На практике спутники нередко находятся лишь на двух станциях и их перемещают вдоль станции роботом после окончания отработки деталей одного спутника. В этот момент подходит робокар, который устанавливает новый спутник на незаполненную станцию и забирает спутник с обработанными деталями. Хотя рабочая площадь всех спутников одинакова, их конфигурация зависит от вертикального (например, торцовые крышки) или горизонтального (например, валы) расположения заготовок на них.
Обычно роботы переносят заготовки непосредственно из спутника на станок, удерживая их основным захватывающим
Рис. 9.8. Обслуживание роботами станков в ГПС фирмы ’’Фанук”
Рис. 9.7. Первая ГПС фирмы ’’Фанук”, предназначенная для механической обработки’широкой номенклатуры деталей
CNC. Загрузка и разгрузка 52 из них производится роботами. Остальные восемь станков (это крупные многоцелевые станки) оснащены многопозиционными накопителями спутников, рассчитанными каждый на 12 спутников. На втором этаже установлено 49 роботов, распределенных по 25 сборочным комплексам, которые расположены в один ряд. Роботы выполняют большую часть сборочных работ.
Важным компонентом траспортно-накопительной системы является крупный многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском, располагающийся на обоих этажах здания. Его используют для хранения заготовок, комплектующих деталей и узлов, полученных от поставщиков, полуфабрикатов и полностью обработанных деталей. Заготовки и детали, хранящиеся на складе, не требуют устройства подъема и опускания с одного этажа на другой. Это облегчает их перемещение между складом и накопителями спутников гибких производственных модулей и сборочных комплексов (рис. 9.7).
Станки в механическом цехе расположены в пять рядов, причем крайний включает восемь упомянутых выше многоцелевых станков, оснащенных накопителями спутников. Эти станки, так же как и на первой ГПС фирмы ’’Фанук”, загружают вручную. Однако емкость их накопителей спутников достаточно велика, чтобы в течение 16 ч обеспечить обработку без вмешательства обслуживающего персонала. В остальные четыре ряда входят оснащенные ЧПУ CNC 44 токарных и восемь круглошлифовальных станков, причем у каждого из 172
них имеется собственная система контроля и компенсации износа режущего инструмента.
На предприятии широко используют робокары — два работают на первом этаже и пять на втором. С их помощью выполняют загрузочно-разгрузочные и транспортные операции, в том числе перевозку к накопительным станциям, расположенным вблизи роботов, стандартизованных спутников, вмещающих обычно каждый 20—50 заготовок (этого достаточно для нескольких часов работы станков без вмешательства обслуживающего персонала). Для каждого технологического комплекса предусмотрены станции приема стандартизованных спутников. В конце каждой станции установлены мониторные и управляющие устройства. Каждая станция рассчитана на три спутника: один с заготовками, другой в работе и третий с обработанными деталями подготовлен для перевозки их на склад (рис. 9.8).
На практике спутники нередко находятся лишь на двух станциях и их перемещают вдоль станции роботом после окончания отработки деталей одного спутника. В этот момент подходит робокар, который устанавливает новый спутник на незаполненную станцию и забирает спутник с обработанными деталями. Хотя рабочая площадь всех спутников одинакова, их конфигурация зависит от вертикального (например, торцовые крышки) или горизонтального (например, валы) расположения заготовок на них.
Обычно роботы переносят заготовки непосредственно из спутника на станок, удерживая их основным захватывающим
Рис. 9.8. Обслуживание роботами станков в ГПС фирмы ’’Фанук”
устройством. Однако некоторые роботы дополнительно оснащают сменными вспомогательными схватами. В этом случае на роботе установлен его штатный схват, но для осуществления некоторых операций робот заменяет его на вспомогательный, используемый для загрузки заготовок. Перемещение робота осуществляется таким образом, что вспомогательный схват, имеющий телескопическую конструкцию, располагается над стопой заготовок. Затем этот схват выдвигается вниз до касания с заготовкой и захватывает ее. При отсутствии заготовки схват доходит до поверхности спутника, отходит от нее и перемещается к следующей стопе. Захватив из нее заготовку, робот перемещается к рабочему столу и там ее выгружает. Затем он заменяет вспомогательный схват на штатный, захватывает им заготовку и помещает ее на центрирующую стойку таким образом, чтобы обеспечить ее правильное позиционирование. После этого робот можно считать готовым для установки заготовки в зажимной патрон станка. Перед установкой заготовки этот робот со сдвоенным охватом вынимает из патрона готовую деталь. Один перечень операций, проводимых роботами, показывает трудности, испытываемые ими при загрузке, выгрузке и траспортировании деталей. Очевидно, что при неточной установке заготовки в охвате робота она может и не попасть в патрон.
Этот участок (рис. 9.9) предприятия работает круглосуточно и в основном без перебоев, хотя ввиду того, что операторы обслуживают его лишь в течение одной смены, они кажутся постоянно занятыми наладкой и техническим обслуживанием станков.
Рис. 9.9. Механический цех ГПС фирмы ’’Фанук"
Рис. 9.10. Линейное расположение комплексов в сборочном цехе ГПС фирмы ’’Фанук”
На втором этаже расположены четыре сборочные линии. Они состоят из 25 сборочных комплексов, оснащенных 49 роботами двух моделей. Роботы модели М служат для загрузки, выгрузки и транспортирования деталей, роботы модели А — для выполнения точных работ. Заготовки перемещаются между сборочными комплексами с помощью конвейера. Следует отметить, что сборочный цех работает в одну смену. Причина этого — выполнение некоторых сборочных работ вручную и отсутствие высокого спроса на серводвигатели, который ожидался при пуске предприятия в эксплуатацию. Степень автоматизации сборки достигла 65% и цель дальнейших разработок — полностью исключить необходимость в ручной сборке (рис. 9.10).
Фактически, несмотря на расчетную производительность механического цеха, составляющую 10 тыс. электродвигателей в месяц, возможности сборочного цеха ограничены в настоящее время 6 тыс. электродвигателей. Всего в сборочном цехе находятся шесть линий. В первом ряду расположено несколько аграгатов для намагничивания статоров, за ними установлены четыре роботизированные сборочные линии. Далее находится линия ручной сборки. На первой и второй роботизированных линиях собирают небольшие серводвигатели постоянного тока, причем на первой — небольшие, а на второй — более крупные. Третья линия предназначена для сборки серводвигателей переменного тока и четвертая — для сборки электродвигателей главного привода. Ожидается, что выпуск серводвигателей постоянного тока будет сокращаться за счет
увеличения выпуска серводвигателей переменного, поэтому сборочные линии были спроектированы с учетом выпуска серводвигателей обоих типов.
Поскольку электродвигатели главного привода выпускают очень малыми сериями, их изготовляют партиями, причем для различных моделей электродвигателей у роботов используют различных захватывающие устройства и другие вспомогательные элементы. Соответственно заменяется и инструментальная оснастка. Однако на остальных роботизированных сборочных линиях роботы и оборудование предназначены для сборки гаммы двигателей различных серий без изменения инструментальной оснастки.
Структура операций, проводимых сборочными роботами, изменяется в зависимости от их параметров. В линии сборки электродвигателей главного привода установлено три сборочных комплекса, в других линиях таких комплексов в среднем предусмотрено восемь.
В начале линии производят балансировку узла ротор — вал, после чего с каждого конца ротора на его вал напрессовывают шарикоподшипники. Затем во фланец запрессовывают сальник и вставляют набивку. После этого на зажимное приспособление всей плоскостью устанавливают фланец и на него вертикально опускают ротор. При выполнении следующей операции статор двигателя через ротор надевают на фланец, после чего статор собирают с торцовой крышкой и запрессовывают в требуемом положении. Затем вставляют четыре соединительных болта, устанавливают на них шайбы и гайки, которые затем затягивают. Собранный электродвигатель передают на линию ручной сборки для регулирования.
В настоящее время вручную выполняют немного работ. Это — точная настройка начала отсчета у вращающихся импульсно-кодовых датчиков, регулировка фланца таким образом, чтобы на обе катушки электродвигателя подавался ток одинаковой величины, и крепление некоторых проводов.
Перевозка деталей на стандартизованных спутниках между многоярусным складом и сборочными комплексами производится пятью робокарами по четырем проездам сборочного цеха. Каждый спутник рассчитан на 20—50 деталей в зависимости от их размеров. Расположение накопителей спутников аналогично их расположению в механическом цехе. Для каждого комплекса предусмотрен накопитель на три спутника. Вблизи него расположено управляющее устройство.
Эти спутники используют для передачи деталей, доставляемых к различным комплексам, а сам узел имеет возможность перемещения между комплексами по небольшим конвейерам карусельного типа, имеющим в плане овальную форму. Эти конвейеры аналогичны устройствам подачи заготовок в меха- 176
нических цехах фирмы ’’Фанук”. Робот, обслуживающий один комплекс, устанавливает узел на одном конце конвейера, а робот, обслуживающий другой комплекс, снимает этот узел с другого конца конвейера.
Предварительно намагничивают статоры на отдельной линии и возвращают их на многоярусный склад. В это время роторы уже взяты с этого склада и находятся в первом сборочном комплексе линии сборки серводвигателей. Робот модели М поднимает ротор и в горизонтальном положении вводит его в специальный захват балансировочного станка. В этом же комплексе установлен станок для прорезания в роторе канавок. Здесь робот вставляет ротор непосредственно в зажимной патрон станка. Поскольку при работе обоих станков образуется некоторое количество стружки, они расположены отдельно от остальных комплексов сборочной линии.
После выполнения подготовительных операций роторы для установки на них подшипников передают на второй комплекс. Обслуживающий этот комплекс робот модели М поднимает ротор в вертикальное положение и передает его на пресс. Сборочный робот этого комплекса берет подшипник со станции питателя, где эти подшипники расположены стопами, и подводит его к нагружающему винту пресса с тем, чтобы тот мог напрессовать подшипник на вал ротора. Затем робот модели М забирает ротор, переворачивает его на 180° , и операция повторяется. В результате оказывается напрессованным второй подшипник.
Затем во фланец запрессовывают сальник и с торца вставляют набивку. Во всех сборочных комплексах придерживаются одинакового принципа использования роботов: робот модели М применяют для загрузки, выгрузки и транспортирования подузла между конвейером и рабочим столом, а робот модели Л применяют для тех же операций с небольшой деталью, предназначенной для сборки. Однако статоры из-за их значительной массы обычно опускают на фланец с помощью робота модели М.
Для подачи длинных сквозных болтов к роботу применяют специальный питатель. Болты закладывают в бункер, откуда они выходят в горизонтальном положении и соскальзывают вниз по гравитационному транспортеру, ширина которого достаточна для подачи одновременно только одного болта. Схват, встроенный в манипулирующее устройство, берет болт за один конец со дна транспортера и поворачивает его на 90° с тем, чтобы робот мог взять болт в вертикальном положении, перенести его вперед и опустить в отверстие. Хотя робот мог бы брать болты и сам, эта операция заняла бы больше времени и была бы менее точной, поскольку он работает только в одной плоскости.
Рис. 9.11. В машинном зале ГПС фирмы "Фанук”
Сборочный робот, используемый для установки гаек и шайб, оснащен специальным двойным схватом, способным сразу переносить шайбу и гайку. Гайка берется центральным патроном, захватывающее устройство перемещается к стопке шайб, откуда двумя небольшими изогнутыми пальцами робот захватывает шайбу. После этого он перемещается к сборочному столу и надевает гайку на соединительный болт. Пальцы расходятся в стороны, чтобы не мешать затяжке гайки, после чего ее затягивают патроном.
Всего на предприятии занято 60 человек, из них 21 в механическом цехе (в одну смену) и 19 на сборке. В ’’безлюдные” смены в машинном зале находится один диспетчер. Чтобы обеспечить ему полное представление о том, что происходит на предприятии, в механическом цехе установлена 21 телекамера. Переключение с одной телекамеры на другую производится с помощью трех мониторов (рис. 9.11).
В начальный период эксплуатации предприятия темпы работы роботов были невелики, что приводило к длительным простоям оборудования. Основная задача в то время состояла в том, чтобы, не останавливая работы, -постепенно повышать темпы их функционирования. С.Инаба, президент фирмы ’’Фанук”, представляет это следующим образом: ”У нас широкая номенклатура и малые объемы выпуска, поэтому мы нуждаемся в роботах. Все японские фирмы, выпускающие электрооборудование, стремятся к повышению производительности. Мы также не являемся исключением — на нашем новом предприятии она теоретически увеличена втрое. Ранее для
обеспечения выпуска 6 тыс. электродвигателей у нас было задействовано 32 робота и 108 человек. Для выпуска 10 тыс. электродвигателей теперь нам понадобится 60 человек и 101 робот”.
Безусловно, предприятие фирмы ’’Фанук” по выпуску электродвигателей обладает очень высокой гибкостью, заключающейся в возможности механической обработки без участия обслуживающего персонала в течение двух смен и проведения 65% сборочных операций с помощью роботов. По сравнению с обычными предприятиями это приводит к значительному сокращению затрат на рабочую силу и увеличению гибкости производства. В связи со значительно меньшими по сравнению с другими ГПС размерами обрабатываемых и собираемых деталей сокращаются и циклы их обработки и сборки.
С.Инаба утверждает, что заводская себестоимость производства серводвигателя сокращается на 30%, включая ее снижение благодаря внедрению новой технологии. При выходе предприятия на проектную мощность стоимость выпускаемой им продукции составит свыше 36 млн. ф.ст. в год, что более чем вдвое превышает объем первоначальных капиталовложений в предприятие.
Кроме того, фирма по мере роста спроса сможет постепенно перейти с выпуска серводвигателей постоянного тока на выпуск серводвигателей переменного тока. Для этого не потребуется значительной ломки производства, которую пришлось бы осуществлять в случае жесткой автоматизации. Эксплуатация сборочных роботов в течение только одной смены позволяет устранять любые неполадки в нерабочее время.
Это — подход, рассчитанный на долгосрочное планирование. Если объем выпуска нового предприятия составит всего 3,3 тыс. электродвигателей в месяц, уровень его производительности из расчета на одного занятого будет таким же, как и на старом, однако новое предприятие получит потенциальную возможность при практически том же количестве обслуживающего персонала обеспечить гораздо более высокий выпуск продукции. Как и на многих ГПС, предназначенных для обработки небольших деталей, на этом предприятии для предотвращения избыточных перемещений робокаров требуется большое количество деталей, увеличивающих незавершенное производство. Поскольку объем незавершенного производства находится под постоянным контролем, оно значительно меньше, чем на обычном предприятии.
Если бы спрос на серводвигатели внезапно резко сократился, для фирмы ’’Фанук” не составило бы большого труда перейти на выпуск любой другой продукции такого же размера и типа, например пневмодвигателей, насосов или компрессоров. Таким образом, это предприятие действительно является
ГПС в полном смысле слова, поскольку на нем можно производить семейство технологически сходных двигателей и его можно переналадить на выпуск совершенно других изделий без потерь в производительности. Конечно, предельно малолюдным предприятие не станет до полного внедрения гибкой автоматизации сборки. Этот процесс сейчас успешно осуществляется.
В отличие от этого ГПС фирмы ’’Ямадзаки” на предприятии в г. Минокамо является специализированной в том плане, что для обеспечения ее экономической эффективности соотношение между мелкими и крупными деталями и распределение времени их механической обработки, закалки и шлифования нужно и в дальнейшем сохранить в существующем виде. В отношении механической обработки следует отметить, что решения относительно объема выпускаемой продукции нужно принимать еще на стадии планирования. Разумеется, при необходимости в ГПС всегда можно ввести дополнительные станки, что не так просто осуществить, например, для автоматической линии.
Итак, в ГПС фирмы ’’Ямадзаки” 240 человек обеспечивают в месяц механическую обработку и сборку свыше 10 тыс. компонентов. В общей сложности в системе обрабатывают (хотя и не очень большими партиями) свыше 560 различных заготовок — от небольшой втулки диаметром 100 мм и длиной 50 мм до громадной отливки длиной свыше 3 м и массой около 20 т. Для такой небольшой гаммы станков — это довольно широкая номенклатура изделий. Предприятие фирмы ’’Ямадзаки” (как и фирмы ’’Фанук”) наиболее пригодно для выполнения работ по внутренним заказам. Главным ограничением здесь являются производственные мощности, которые легче привести в соответствие с объемом производства по внутренним заказам, чем с объемом работ по отдельным внешним заказам небольшими партиями.
В любом случае ГПС всегда можно перестроить на выпуск другой продукции, например, блоков цилиндров и других деталей дизельных двигателей. Однако при этом нередко упускают важный момент. Целью внедрения описанных выше и прочих ГПС является обеспечение изготовителю таких преимуществ по производственным затратам, которые позволило бы ему увеличить долю своей продукции на рынке. Поскольку в целом сами изделия изменяются и все в большей степени ориентируются на использование программного обеспечения, то и изготовителям со временем придется менять номенклатуру выпускаемых изделий. Однако, как показал опыт эксплуатации описанных в этой главе ГПС, при осуществлении таких изменений фирмы ’’Фанук” и ’’Ямадзаки” по сравнению с другими окажутся в более выгодном положении. Таким образом, 180
переходя с выпуска серводвигателей постоянного тока на выпуск серводвигателей переменного, фирма ’’Фанук” следует именно этой тенденции.
Факт отсутствия в ГПС фирмы ’’Ямадзаки” централизованного управления от ЭВМ может вызвать удивление у некоторых специалистов. В то же время никто из них не удивится пуску ГПС в эксплуатацию при постоянном присутствии об- служйвающего персонала. Вообще говоря, на начальном этапе эксплуатации ГПС нельзя считать недостатком данную обслуживающему персоналу возможность как следует ознакомиться с ее работой и преодолеть возникающие при этом серьезные трудности, не надеясь при этом на ’’помощь” ЭВМ или на компенсацию потерь за счет см.ен без вмешательства обслуживающего персонала.
Хотя для автоматизированного производства комплексное централизованное управление от ЭВМ и является конечной целью, первоочередная задача состоит в создании экономически эффективной системы механической обработки. Комплексная автоматизация с централизованным управлением от ЭВМ, безусловно, обеспечит дальнейший качественный скачок, но основой всего является обеспечение работы оборудования.
В целом описанные выше ГПС практически эффективны и работают в широком диапазоне с высокими экономическими показателями при очень небольшом количестве обслуживающего персонала. Более того, их экономическая эффективность сохраняется даже при сравнительно низком коэффициенте использования оборудования и вопрос об увольнениях персонала при этом не возникает.
ГЛАВА 10. ВЫСОКАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ- НЕОСПОРИМОЕ ПРЕИМУЩЕСТВО ГПС
К экономической эффективности ГПС предъявляются высокие требования. Она определяется многими факторами, в том числе рабочими характеристиками ГПС. Основными путями реализации предъявляемых требований являются сокращение времени производственного цикла и увеличение коэффициента использования оборудования. Оба этих фактора оказывают сильнейшее положительное воздействие на прибыль на инвестированный капитал и проявляются в результате сочетания ЧПУ типа CNC с комплексным управлением механическими и транспортно-накопительными операциями. При этом увеличение коэффициента использования оборудования достигается без повышения затрат на рабочую силу.
Хотя немногие ГПС можно считать полностью комплексноавтоматизированными системами, тем не менее существует немало примеров увеличения производительности в результате их внедрения. В одном случае это позволило уменьшить затраты на рабочую силу с примерно 1,3 млн. до 160 тыс. ф. ст. в год, резко сократив при этом фактическую стоимость незавершенного производства (с 2,5 млн. до 140 тыс. ф. ст.). Тем самым чистая прибыль (за вычетом амортизации и ссудного процента) увеличилась с 900 тыс. до 1,7 млн. ф. ст. в год. На 50% сократились таварно-материальные запасы и время производственного цикла и на 40% снизилась стоимость единицы продукции. Эти показатели типичны для многих ГПС, особенно если станки с ручным управлением заменены в них станками с ЧПУ типа CNC.
Причинами получаемых преимуществ частично является использование станков с ЧПУ типа CNC, но в основном обусловлены точностью системы управления. Так, технологический процесс изготовления вала из предварительно обточенного круглого проката на станках с ЧПУ типа CNC полностью отличается от технологии его получения на станках с ручным управлением. У приводимого в качестве примера вала на одном конце имеется фланец с просверленными в нем отверстиями. Его удлиненный хвостовик подлежит тонкой обточке с получением трех различных ступеней. Кроме того, на валу предусмотрено по пять круговых и шпоночных канавок. Обычно такое изделие обрабатывают на токарно-винторезном станке, шпоночные канавки прорезают на фрезерном, а отверстие во фланец сверлят на радиально-сверлильном. В крупносерийном производстве для этих целей используют, как правило, копировально-токарные, фрезерные и специальные сверлильные станки, однако при механизации загрузочно-разгрузочных и транспортных операций возникают довольно большие трудности, преодолеваемые лишь при резком увеличении объема выпуска.
При величине партии 20 деталей общее время их обработки на станках с ручным управлением составит 106 ч 40 мин, а на токарном обрабатывающем центре — лишь 22 ч 20 мин. Разность остается довольно существенной и при обработке шести различных деталей. В этом случае кроме указанного вала обрабатывают еще два вала, гильзу с несколькими отверстиями под сверление и резьбонарезание, растачиваемую ступицу с фланцем, в котором тоже требуется просверлить отверстия, и обтачиваемую, требующую сверления и нарезания резьбы цилиндрическую деталь.
Обработку 115 деталей шести типоразмеров на токарных обрабатывающих центрах выполняют при 12 переустановках, а на станках с ручным управлением — при 22. Для обслужива- 182
ния центров нужен один оператор (который может обслуживать и два центра), а для станков с ручным управлением — 2—4 оператора. В результате для обработки указанных деталей потребуется соответственно 79 и 380 ч, а общие затраты на рабочую силу снизятся примерно с 2,5 тыс. до 500 ф. ст. С 12,5 до 5 дней сократится и производственный цикл, что приведет к дальнейшему снижению затрат. В большинстве случаев один оператор может обслуживать два станка, поэтому реальные затраты на рабочую силу сократятся с 500 до 250 ф. ст. и составят лишь 10% от соответствующих затрат при обслуживании станков с ручным управлением.
В другом случае обработка крупногабаритных деталей проводится в обычном цехе на семи станках, но эту же обработку можно осуществить на двух станках, входящих в состав ГПС. В итоге количество переустановок сократилось бы с семи до трех. Но если таких результатов можно достигнуть, применив станки с ЧПУ типа CNC, для чего же устанавливать ГПС? Известно, что цехи, оснащенные станками с ручным управлением, работают в одну или две смены и лишь цехи, предназначенные для крупносерийного выпуска изделий, работают в две смены. Однако ГПС за счет встраивания централизованной системы управления могут работать со значительно более высокой эффективностью, сокращая производственный цикл и создавая потенциальные возможности для безлюдного производства. Следовательно, только внедрив ГПС, можно добиться резкого сокращения производственного цикла и чуть ли не десятикратного снижения количества обслуживающего персонала. Если вместо ГПС предпочитают внедрять гибкие производственные модули, то это объясняется практической нецелесообразностью сокращения числа переналадок или тем, что не была запланирована трехсменная работа ГПС.
Реально станки с таким высоким коэффициентом использования, который от них ожидают, не работают, но внедрение ГПС дает руководителю производства гарантии того, что составленные им календартные графики производства будут выполнены. Даже при эксплуатации станков с ЧПУ типа CNC, требующих меньшего количества переналадок, у операторов в начале смены нередко не бывает необходимых им заготовок. Им приходится затрачивать время на установку лент с управляющими программами и смену инструментов. Кроме того, случаются поломки инструментов и каждая из них может означать для оператора необходимость посещения инструментальной кладовой, а для станка — простой. Нередко операторы не могут пустить станок точно в начале смены и не имеют возможности начать обработку новой заготовки, если ее установка на станок завершена менее чем за час до окончания
смены.
Но и в том случае, когда все идет по намеченному плану, не объединенные в систему станки обладают определенными недостатками. В среднем на каждом из них необходимо менять около 20 инструментов, определяя их коррекцию на изменение размеров при каждой операции наладки. Это означает, что станок может каждый раз простаивать за смену до 2 ч. Затем приходится менять ленту с управляющей программой (или другой программоноситель), на что может потребоваться еще 15 мин. Фактически у отдельно стоящих станков простои, вызванные переналадкой, могут быть более чем в 2 раза выше типичных для ГПС.
Опыт, приобретенный фирмой ’’Окума” при эксплуатации станков с ЧПУ типа CNC, показал, что в среднем коэффициент их использования составляет около 55%. Для станков, входящих в состав ГПС, этот показатель достигает 80%. Таким образом, фактически выигрыш гораздо больше, чем он может быть достигнут в цехе, оснащенном станками с ЧПУ типа CNC. Эти станки в течение двух смен работают в цехе 0,55-16 = 8,8 ч. В то же время станки, входящие в состав ГПС, могут работать в течение суток 0,8- 24 = 19,2 ч, т.е. в 2,2 раза дольше, чем не объединенные в систему станки с ЧПУ типа CNC. Сокращается и количество обслуживающего персонала (с четырех операторов до одного). Следовательно, потенциальные преимущества ГПС даже при сравнении с современными независимо работающими станками с ЧПУ типа CNC оказываются еще большими. Простои у ныне эксплуатируемых ГПС невелики. Так, у ГПС фирмы ’’Ситроен” они составляют 12% рабочего времени, у фирмы ’’Катерпиллар” — 7,5% и у фирмы ’’Цейс” — 5%.
Значения коэффициента использования независимых станков с ЧПУ типа CNC, полученные фирмой ’’Окума” на практике, близки к теоретическому максимуму. В обычных цехах мелкосерийного производства до 35% рабочего времени может быть затрачено на ожидание обработки, до 25% — на смену инструмента и загрузку и до 10% — на эксплуатационное обслуживание. В результате липл> 30% времени остается на механическую обработку. Тем самым коэффициент использования оборудования фактически находится в пределах 30 ... 50%, причем верхнее значение относится к обработке сравнительно крупных партий. Следовательно, в ГПС коэффициент использования оборудования примерно в 2,2—4 раза выше, чем в цехе, работающем в две смены. Если ГПС тоже работает всего лишь в две смены (а ее установка с расчетом на работу в одну смену представляется бессмысленной), то этот коэффициент можно увеличить в 2—4 раза. Причина в том, что такая ГПС должна заменить цех, работающий только в одну смену.
При установке в ФРГ ГПС, состоящей из трех многоцелевых станков, расчет ее экономической эффективности прово- 184
дился другим методом, однако прибыли, определявшиеся в данном случае из расчета сокращения эксплуатационных расходов, были достаточно велики. Стоимость оборудования равна 700 тыс. ф. ст., а эксплуатационные расходы, куда включают расходы на рабочую силу, оборудование и эксплуатацию, составляют в обычном цехе в год за смену примерно 270 тыс. ф. ст. при односменной работе и 187 тыс. ф. ст. при двухсменной. При внедрении ГПС эксплуатационные расходы в год на одну смену сокращаются соответственно до 180, 150 и 135 тыс. ф. ст. для одной, двух и трех смен. Даже при эксплуатации в одну смену эти расходы в ГПС ниже, чем в обычном цехе.
Первоначально при планировании модернизации производства на фирме ’’Андерсон Стратклайд” предполагалось установить отдельные станки с ЧПУ типа CNC и оснастить их автоматическими загрузочными устройствами. Проведенные фирмой исследования показали, что для производства очень крупных деталей (входящих в состав продукции фирмы) понадобилось бы 13 станков; при создании ГПС их потребуется только шесть. Этот случай интересен одновременным сокращением количества требуемых станков и производственного цикла. Ранее эксплуатировалось 40 станков, причем два из них с ЧПУ типа CNC. Хотя на обработку крупных корпусов редукторов требовалось затратить около 80 ч основного времени, фактически от получения отливки корпуса до момента окончания его механической обработки проходило в среднем 4 мес., поскольку очень много времени затрачивалось на ожидание обработки.
Для упомянутой детали, т.е. корпуса редуктора, созданная ГПС практически привела к сокращению основного времени с 80 до 32 ч. Обычно деталь находилась в цехе в течение 6 мес., поэтому фактически производственный цикл сократился со 180 до 2 дней. В этих обстоятельствах неудивительно, что фирма ’’Андерсон Стратклайд” за счет внедрения ГПС стоимостью 6 млн. ф. ст. надеется сократить стоимость незавершенного производства на 1 млн. ф. ст.
Добиться значительного сокращения стоимости незавершенного производства намеревается и другая английская фирма — ”Ролс-Ройс”, устанавливающая 15 ГПС на своих предприятиях по производству авиационных двигателей. В настоящее время стоимость незавершенного производства оценивается не менее чем в 600 млн. ф. ст., а фирма ”Ролс-Ройс” ожидает ее сокращения до 300 млн. ф. ст. и уменьшения в результате этого уплаты ссудных процентов примерно на 30 млн. ф. ст. в год. Ожидаемая экономия настолько велика, что фирма видит возможность оплаты каждой из создаваемых ГПС за счет экономии, достигаемой путем сокращения незавершенно-
го производства в течение года. Кроме того, ожидается сокращение стоимости изготовления выпускаемых изделий в среднем на 20%, хотя себестоимость выпуска одного картера двигателя снизилась даже на 40%, а стоимость незавершенного производства и производственный цикл уменьшились на 50%.
Фирмой ’’Деккель” (ФРГ) установлена ГПС стоимостью примерно 1,3 млн. ф. ст., включающая восемь многоцелевых станков, обслуживаемых одним робокаром. Это привело к сокращению производственного цикла с 60—80 до 20—40 дней, в результате чего стоимость незавершенного производства снизилась на 140 тыс. ф. ст. В течение года ГПС может функционировать 4600 ч (оборудование в обычном цехе работает всего 3200 ч). Это послужило основной причиной сокращения часовой стоимости обработки с 42,5 до 35 ф. ст. и соответственно уменьшения себестоимости изготовления одной детали на 18%. Фирмой установлено, что для производства 95 тыс. корпусов электродвигателей размерами до 200Х 200Х X 200 мм капитальные затраты на установку ГПС составят 50% от капитальных затрат на установку отдельных гибких производственных модулей и 40% от капитальных затрат на установку автоматической линии (при том же объеме выпуска продукции) . Себестоимость изготовления одной детали распределялась соответственно в соотношении 1:1,25:1,70. На фирме ’’Дженерал электрик” при обработке в ГПС корпусных деталей электровозов производственный цикл сократился с 16 дней до 16 ч, а производительность на одного работающего выросла на 240%. Фирма ZF полагает, что в описанной в гл. 5 ГПС по изготовлению зубчатых колес производительность на одного работающего увеличилась на 30%, а время смены инструментов сократилось на 25%.
ГПС фирмы ’’Окума”, состоящую из семи многоцелевых станков, в дневную смену обслуживают четыре оператора, в вечернюю — один, а в ночную она работает без вмешательства обслуживающего персонала. До внедрения ГПС эти же станки обслуживало по десять операторов в две смены. Сравнение по количеству операторов — достаточно наглядное свидетельство преимуществ внедрения ГПС. Фактический коэффициент использования оборудования повысился в смену с 55 до 75% и общее время механической обработки в неделю увеличилось соответственно с 308 до 630 ч, что привело к сокращению годовых затрат на рабочую силу примерно на 70 тыс. ф. ст. и к удвоению чистого времени механической обработки. Это означает, что амортизационные отчисления на стоимость ГПС, составляющую в целом 1,1 млн. ф. ст., могут быть выплачены довольно быстро. В самом деле, при стоимости ГПС, на 300 тыс. ф. ст. превышающей стоимость независимых станков, амортизационные платежи и погашения ссудных процен- 186
тов составят около 50 тыс. ф. ст., что меньше экономии, полученной путем сокращения количества рабочей силы. Однако потенциальная себестоимость выпускаемой продукции планируется в 2 раза большей, поэтому в 2 раза выше и прибыль на инвестированный капитал.
Стоимость ГПС, установленной на фирме ’’Ситроен”, составляет 3,2 млн. ф. ст., а стоимость не объединенного в систему оборудования — 3,5 млн. ф. ст. Амортизация ГПС должна произойти за 3,1 года, а амортизация независимого оборудования — соответственно за 4,8 года. Производительность повышается примерно на 50%. Следует отметить, что стоимость следующей, второй ГПС, составит лишь около 2,6 млн. ф. ст.
Особенность ГПС фирмы ’’Мурата” заключается в ее установке в существующем цехе. Поэтому основные капиталовложения были сосредоточены на создании многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском, приобретении робокаров и зажимных приспособлений. В состав ГПС вошло семь хорошо отработанных многоцелевых станков общей стоимостью всего 400 тыс. ф. ст. До внедрения ГПС простои станков составляли около 35%, а после внедрения они снизились до 7,5%. Фактически работа по управляющей программе длится 92,8% времени работы станков в ГПС, а непосредственно резание — 82%. Время на переналадку составляет всего 5,8% от продолжительности рабочей смены, время ожидания — 0,4% и время остановов — 0,1%. Одной из причин такого значительного сокращения некоторых показателей является уменьшение числа переналадок с четырех до одной. Для эксплуатации ГПС в течение трех смен необходимо 14 операторов вместо 20, требовавшихся ранее, хотя практически в третью смену стали работать лишь после создания ГПС. В итоге прибыль на инвестированный капитал увеличилась в 4 раза.
Длительное время находится в эксплуатации ГПС, установленная фирмой ’’Ямадзаки” на своем головном предприятии в г. Огути. Она включает 18 многоцелевых станков. Прежде для выполнения того же объема работ требовалось 36 станков, обслуживаемых в три смены 106 операторами и 80 вспомогательными рабочими. Для обслуживания ГПС в смену требуется по одному оператору в машинном зале и на инструментальном участке и 4 оператора на подготовительном участке. Они работают в две смены, в третью смену ГПС функционирует без обслуживающего персонала. В итоге количество потребной рабочей силы снизилось со 190 до 12 человек, а расходы на нее в год с 2 млн. до примерно 130 тыс. ф. ст. (рис. 10.1).
Ранее обработку заготовок станин многоцелевых станков в соответствии с технологическим процессом последовательно вели на трех продольно-фрезерных и двух радиально-сверлильных станках, одном горизонтально-расточном и еще одном 187
Каждая заготовка подвергаетсяКаждая заготовка подвергаетсяРис. 10.1. Соотношение между расходами на рабочую силу в ГПС (4) и обычном цехе (7) и прибылью в ГПС (2) и обычном цехе (2) (для выпуска одинакового объема продукции в ГПС требуется 12 человек, в обычном цехе — 106)
Каждая заготовка подвергается
Каждая заготовка подвергается
продольно-фре зерном. В течение этой обработки требовалось семь переустановок. В ГПС каждую заготовку обрабатывают на горизонтальном и вертикальном многоцелевых станках, причем на вертикальном требуется две переналадки (рис. 10.2).
механической обработке
на двух станках, закалке и шлифованию. Продолжительность операций снизилась соответственно с 40 до 18, с 38 до 25, с 32 до 15 и с 38 до 25 ч. Однако основное преимущество ГПС
в данном случае заключается в резком сокращении фактичес
кого производственного цикла — от поступления в цех исходных материалов до получения собранного станка, готового для отправки потребителю. Ранее прохождение комплекта деталей через механические цехи занимало 3 мес., сборка — 4 недели, контроль и регулировка — 1 неделю.
В настоящее время механическая обработка сократилась с 3 мес. до 4 дней (при среднем машинном времени 24 ч), сборка с 4 до 2 недель, а время на контроль и регулировку осталось прежним. Таким образом, многоцелевой станок теперь может быть изготовлен менее чем за 4 недели, в то время как ранее это занимало свыше 4 мес. Одним из интересных результатов внедрения ГПС является сокращение в 2 раза времени на сборку, причем без изменений базовой системы сборки. Это связано с постоянным наличием деталей для сборки в данный момент. Безусловно, все эти факторы, вместе взятые, оказы
вают решающее влияние не только на производственные расходы, но и на время, в течение которого фирма ’’Ямадзаки” может выполнить заказ. Теперь количество станков на складах оптовых торговых фирм может быть сокращен.
Существует ряд факторов, обеспечивающих значительный
рост производительности в результате внедрения ГПС. К основным из них относятся рост с 40 до более чем 80% коэффициента использования оборудования и сокращение с 2,5 млн. до 140 тыс. ф. ст. стоимости незавершенного производства. Это приводит к резкому сокращению количества станков, требующих для выполнения программы. Их стоимость, включая стоимость вспомогательного оборудования, например робокаров и мониторов, по данным фирмы ’’Ямадзаки” составляет 7,5 млн. ф. ст. Стоимость оборудования, замененного при внедрении ГПС, была равна 4 млн. ф. ст. Немаловажен и тот факт, что в связи с существенным уменьшением количества
станков для предприятия требуется теперь половина ранее занимаемой им производственной площади. В результате стоимость земли и производственных помещений сократилась с 1,9 млн. ф. ст. до менее 1 млн. ф. ст.
Круглосуточная работа ГПС приводит к значительному снижению ее издержек. Как для ГПС, так и для обычного предприятия стоимость исходных материалов одинакова и составляет 8,3 млн. ф. ст., а себестоимость
Рис. 10.2. Сокращение количества переустановок и уменьшение числа операций механической обработки при использовании станков с ЧПУ типа CNC, объединенных в ГПС, и обычных станков:
а — традиционные методы обработки на станках: 1-3, 7 — продольно-фрезерных; 4, 5 — радиально-сверлильных; 6 ~ горизонтально - расточном;
б — ГПС: 1-4 — обработка на многоцелевых станках
выпускаемой продукции — 11,6 млн. ф. ст. Следовательно, годовая дополнительно создаваемая стоимость равна 3,3 млн. ф. ст. Однако если производительность обычного предприятия в первый год эксплуатации составляет примерно 75% от расчетной, то производительность ГПС соответствует расчетной с самого начала ее эксплуатации. В связи с сокращением в ГПС расходов на рабочую силу и незавершенное производство резко снижается сумма выплат ссудных процентов, поэтому в течение первых пяти лет эксплуатации ГПС средняя годовая условно-чистая прибыль составит 1,9 млн. ф.ст. На обычном предприятии она достигает лишь 770 тыс. ф. ст. из-за значительного фонда заработной платы и больших затрат на незавершенное производство. Это означает, что после уплаты (по японским законам) налогов прибыль обычного предприятия за 5 лет составит 1,8 млн. ф. ст., а прибыль ГПС —свыше 4 млн. ф. ст. Эти показатели получены при условии, что спрос на выпускаемую продукцию по меньшей мере равен ее выпуску. Однако станкостроение, как известно, подвержено циклическим колебаниям спроса. Обычному предприятию для получения прибыли необходимо полностью загружать производственные мощности, в то время как ГПС, несмотря на большие капитальные затраты, может прибыльно работать даже при неполной загрузке производственных мощностей.
Разумеется, справедливо и то, что фирмы — изготовители станков законно заинтересованы в получении хороших показателей экономической эффективности ГПС. В целом стоимость входящих в ГПС станков и вспомогательного оборудования, поставленного фирмой ’’Ямадзаки”, выше стоимости станочного оборудования обычного цеха. Поэтому потенциально ГПС поставлять значительно выгоднее, чем отдельные станки.
Как бы то ни было, получаемые прибыли достаточно велики даже при возможности некоторых преувеличений в отношении преимуществ ГПС, например, если бы их гибкость была ненамного выше гибкости существующих предприятий. Другими словами, эффективность ГПС для механических цехов вполне доказана, за исключением тех случаев, когда объем выпуска настолько велик, что традиционные (’’жесткие”) автоматические линии все еще остаются более экономичными. Однако, применив в этих линиях управляемые от ЭВМ специальные станки с ЧПУ типа CNC, можно добиться некоторой гибкости, не пожертвовав при этом экономической эффективностью.
Серьезную проблему представляет вопрос переноса достигнутых в механических цехах преимуществ ГПС на другие участки производства — сборку, обработку листового мате- 190
риала, литье и обработку металлов давлением. Наиболее близка к ГПС механической обработки обработка листового материала, поскольку здесь применяют современные листогибочные и листоштамповочные машины, оснащенные ЧПУ типа CNC, а операцию сварки можно проводить с помощью роботов. Следовательно, во многих случаях повышение производительности определяется внедрением оснащенных ЧПУ типа CNC агрегатов для обработки листовых материалов. Основные преимущества, достигаемые в результате внедрения ГПС, обусловлены сокращением времени, затрачиваемого на установку, снятие и транспортирование крупногабаритных листов (см. гл. 11).
Вместе с тем здесь так же, как и при использовании станков с ЧПУ типа CNC, преимущества ГПС определяются сокращением частоты смены инструментов и количества обслуживающего персонала. В одном случае, например, оператор на л исто штампов очном прессе с ЧПУ типа CNC заменил восемь человек, работавших на прессах без ЧПУ, а в другом размер партии запуска был сокращен на 90% и производственный цикл снижен наполовину. Если таких преимуществ добиваются лишь при использовании устройств ЧПУ типа CNC, то можно ожидать, что потенциальные возможности, предоставляемые в дальнейшем за счет внедрения управления от ЭВМ и осуществления автоматизации погрузочно-разгрузочных и транспортных операций, могут обеспечить еще более значительные результаты.
В сборке также немного примеров внедрения гибких линий, работающих в три смены. Это объясняется тем, что такая линия обычно заменяет одну из нескольких линий предприятия и, следовательно, должна работать только в одну смену. При работе в три смены была бы нарушена вся система. Так что в этой области достижение реальных преимуществ от внедрения гибкого производства еще впереди.
Тем не менее, существуют очевидные признаки преимуществ. Фирмой ’’Тойода”, например, изготовлены две гибкие сборочные линии, используемые для сборки клапанов и лопастных насосов. Линия сборки клапанов предназначена для сборки широкой номенклатуры изделий, а на линии сборки лопастных насосов собирают лишь пять их типов. Преимущества этих линий сборки заключаются в сокращении затрат на рабочую силу и уменьшении производственного цикла. Существуют и другие потенциальные возможности увеличения коэффициента использования оборудования этой линии. Стоимость обеих линий составляет 1,2 млн. ф. ст. Прежде для их обслуживания требовалось 30 операторов, в настоящее время — только четыре. Сокращение расходов на основную рабочую силу составило около 300 тыс.ф.ст. в год, что теоре-
тически сводит срок окупаемости этих линий к 4 годам. .Фактический уровень заработной платы оператора на 30 ... 50% ниже оплаты труда рабочего-станочника, поэтому реальный срок окупаемости снижается до 2^5 лет.
В этих расчетах не учитывается экономия, получаемая при сокращении объема незавершенного производства, и принимается двухсменный режим работы. В конечном итоге такие линии нужно эксплуатировать в три смены, что на 50% увеличит коэффициент их использования, а также изменит оценку срока окупаемости. Теоретически экономия расходов на основную рабочую силу увеличилась бы примерно до 450 тыс.ф .ст. в год. С учетом экономии прочих расходов на рабочую силу реальная экономия затрат была бы доведена приблизительно до 600 тыс. ф. ст. в год.
Расчет экономической эффективности по сроку окупаемости представляет собой весьма приблизительный метод. С этой целью удобнее применять такие понятия, как поступления наличными или чистая текущая стоимость. Следует отметить значительное воздействие, которое оказывает внедрение ГПС на структуру вспомогательной рабочей силы и эффективность ее использования. При этом важно отдавать себе отчет, что совокупная стоимость транспортной и управляющей подсистемы ГПС обычно составляет всего лишь 10 ... ... 20% от стоимости всей ГПС.
Внедрение роботов также способствует повышению экономической эффективности сборки. Так, в одном случае установка 11 роботов, заменивших 29 операторов, позволила удвоить прибыль, получаемую при сборке, а в другом — внедрение автоматизированной сборочной линии, оснащенной также 11 роботами, позволило сократить количество обслуживающего персонала со 170 до 33 человек, включая основную и вспомогательную рабочую силу. Кроме того, сборочный цикл первоначально уменьшился с 90 до 8 с, а через год — до менее 5 с. Даже при работе этой линии только в одну смену капитальные затраты, составившие 2 млн. ф. ст., окупились за два года всего лишь в результате экономии расходов на основную рабочую силу.
При планировании этой линии в расчете на трехсменную работу были бы получены огромные прибыли. На предприятии, о котором шла речь выше, было установлено более десяти сборочных линий с ручным управлением производительностью каждая 300 изделий в смену. Линии были рассчитаны на работу в одну смену. Производительность автоматизированной сборочной линии составляет в смену свыше 4 тыс изделий, поэтому при работе в двухсменном режиме она могла бы заменить все линии с ручным управлением. При ее трехсменной работе несмотря на то, что цикл сборки мог 192
бы удлиниться, внедрение большого числа роботов позволило бы без жесткой автоматизации исключить на сборке ручные операции. Обеспечив снижение количества обслуживающего персонала с 500 до менее чем 70 человек, на линии можно было бы выпускать в день около 10 тыс. изделий, сократив при этом расходы на рабочую силу не менее чем на 30 млн., а возможно и на 4 ... 5 млн. ф. ст. в год. Кроме того, время производственного цикла уменьшилось бы с нескольких дней до нескольких часов. Из сказанного выше становится очевидным наличие у ГПС значительных потенциальных возможностей для использования на сборочных операциях.
Что касается литейного производства, холодной штамповки, кокильного литья и литья под давлением, в этих областях уже существует оборудование, необходимое для создания эффективных ГПС. В чугунолитейных цехах, например, автоматизация формовки и обрубки литья может наполовину сократить количество обслуживающего персонала, а автоматизация разливки приведет к созданию почти безлюдного производства. Для других технологических процессов в цепи безлюдного производства еще предстоит разработать некоторые недостигающие звенья. Все эти процессы объединяет наличие потенциальных возможностей создания безлюдного производства. Увеличение коэффициента использования оборудования, сокращение количества обслуживающего персонала и производственного цикла приведут к резкому снижению производственных расходов и размеров предприятий.
ГЛАВА 11. ПРОБЛЕМЫ ВНЕДРЕНИЯ ГПСДЛЯ ОБРАБОТКИ ЛИСТОВОГО МЕТАЛЛА
Наряду с механической обработкой существует немало других технологических процессов, для которых применение ГПС имеет важное значение. Особое место среди них занимает обработка листового металла. Здесь (после механической обработки) существуют наибольшие предпосылки для создания ГПС. Однако по ряду причин реализацию возможностей гибкой автоматизации для цехов мелкосерийного производства, где производится обработка листового металла, рассматривают редко.
К одной из наиболее важных причин относится то, что в таких цехах заняты квалифицированные операторы, оснащенные достаточно простыми инструментами. Поэтому на первый взгляд кажется, что их работа не поддается автоматизации. Практически это не совсем так. Однако, чтобы окупить капитальные затраты на установку автоматического оборудо-
вания и получить при этом соответствующую прибыль, нужно обеспечить довольно высокий коэффициент его использования. Стоимость ГПС для обработки листового металла может составить 1 млн. ф. ст., а стоимость традиционного оборудования с ручным управлением нередко не достигает и 10 тыс. ф. ст. Разница настолько велика, что для обеспечения окупаемости от ГПС потребуется очень высокая производительность.
Однако здесь, как и в ГПС для механической обработки, не требуется сразу устанавливать всю систему в комплексе. В настоящее время комплексных систем гибкой автоматизации листовой обработки выпускают мало, но вместе с тем изготовляют отдельные установки для обработки листового металла, оснащенные устройствами ЧПУ типа CNС. К ним относятся, например, листоштамповочные и вырубные прессы, агрегаты для лазерной резки. Существует также возможность приобретения и необходимого вспомогательного оборудования. Эти установки идеальны при обработке небольших партий деталей, которые не редкость в производственных цехах. Безусловно, по сравнению с оборудованием с ручным управлением здесь от операторов требуется определенная перестройка стиля и методов работы, но ввиду сложности таких операций, как загрузка, выгрузка и транспортирование крупных листов, при которых требуется большая осторожность, операторы первыми оценят преимущества установки автоматизированного оборудования для выполнения этих операций.
В крупносерийном производстве изделия из листового металла также всегда выпускают партиями. Например, потенциальная производительность крупных механических и гидравлических прессов составляет (при числе двойных ходов 10 ... 30 в минуту) 120—140 тыс. панелей в месяц. Обычно для сборки такое количество изделий требуется редко. Традиционно в автомобильной промышленности и в производстве электробытовых приборов объем партий рассчитывают, исходя из месячной потребности (примерно 5—20 тыс. панелей). Однако из причин такого подхода состоит в существующем у многих руководителей убеждений в том, что безотказно работающий пресс должен функционировать без перерывов. Поэтому при работе прессов в течение 5 ... 16 ч, в день те 5 ... ... 8 ч, которые требуются на смену штампов, незначительно уменьшают коэффициент их использования.
Поскольку, однако, штампы наладчиками каждый раз устанавливаются индивидуально, на их смену в целом требуется много времени. Кроме того, проблемы, возникающие с допусками и износом штампов, нередко становятся причиной кратковременных частых остановок оборудования
(от 30 с до 2 мин). Складываясь, такие остановки приводят к довольно длительным суммарным простоям.
Для решения этих проблем с учетом в то же время требований рынка и сохранения минимального объема незавершенного производства японские фирмы разработали прессы с быстросменными штампами. Подштамповые плиты (штам- подержатели) выходят с боковых сторон таких прессов по направляющим. На этих плитах выполняют объем регулировок, предельно возможный для инструментального участка. На самом деле остается провести лишь окончательную настройку. В результате время смены штампов для крупных прессов сократилось с 5 ... 8 до 0,5 ч, а для небольших — до 2 ... 3 мин.
Это крупное достижение, определяемое уровнем стандартизации значений закрытой высоты штампа при соблюдении жестких допусков на этот параметр, — одна из важнейших предпосылок организации в дальнейшем ГНС в этой области. Оно привело к значительному повышению коэффициента использования прессов и уменьшению размеров партий, например, с 10 тыс. примерно до 2 тыс., а во многих случаях и до 1 тыс. деталей. Иногда размеры партии снижаются до 400 шт., что означает работу пресса между сменой штампов менее 1 ч. В настоящее время успех внедрения этой системы зависит от эффективности сочетания оборудования, оснащенного механизированной сменой штампов, с отличной организацией труда операторов. И все же требуется дальнейший переход от механизации смены штампов к полной ее автоматизации.
Наилучшие предпосылки для создания ГПС существуют в настоящее время при гибке, вырубке на прессах и резке ножницами. Листоштамповочные прессы и ножницы, оснащенные устройствами ЧПУ типа CNC, в сущности обладают такой же гибкостью, как и многоцелевые станки. Хотя системы управления указанным оборудованием и вспомогательные устройства в целом не достигли такого уровня развития, как в многоцелевых станках, однако уже разработаны и выпускаются устройства для подачи листов, их загрузки, выгрузки и транспортирования, устройства управления от ЭВМ, а также заранее разработанные программы (программы раскроя), служащие для оптимизации использования листов (рис. 11.1).
Типичный листоштамповочный пресс с ЧПУ типа CNC оснащен 60—72 инструментами для пробивки отверстий различных размеров и конфигурации, а также резьбонарезными приспособлениями. Стол пресса, на котором может быть установлен лист размерами до 1, 3X2,5 мм, имеет возможность перемещения по осям Хи Y, поэтому рабочая зонанахо- 7* 195
Рис. 11.1. Оптимизация раскроя листа на панели ножницами с помощью программ
дится непосредственно под штампом. Инструменты обычно устанавливают в револьверных головках, что позволяет вводить их в действие значительно быстрее, чем режущие инструменты из инструментального магазина на многоцелевых станках.
Следующим шагом к повышению гибкости является объединение листоштамповочного пресса с установкой для лазерной резки и создание такого пресса, каким- является лазерный пресс типа Zaserpress фирмы ’Трумпф” (ФРГ). Всеми системами этого пресса управляет устройство ЧПУ типа CNC. Он обладает значительно большей гибкостью, чем взятые в отдельности листоштамповочный пресс или установка для лазерной резки. Дело в том, что для получения одних деталей более эффективна вырубка, для других — высечка, а для третьих — лазерная резка. Например, при вырезании профильных поверхностей производительность лазерной резки по меньшей мере вдвое выше, чем при высечке. Кроме того, при лазерной резке кромки деталей получаются гладкими и без заусенцев. Для выполнения в панелях отверстий большого диаметра с гладкими без заусенцев кромками их путем вырубки сначала получают малого диаметра, а затем вырезают лазером до требуемого размера (рис. 11.2).
Наиболее эффективно использование лазерного пресса для получения у одной панели большого количества отверстий и профильного контура. Безусловно, резку листа попа- лам или на четыре части на ножницах выполняют значительно быстрее. В одном случае потребовалось, например, в партии из тысячи плит толщиной 12 мм получить в каждой плите 800 отверстий диаметром 6 мм. Для ускорения выполнения этого заказа все отверстия в плитах были вырублены за 3 мин в каждой плите, а контур был вырезан с помощью лазера. Другой пример сочетания вырубки с лазерной обработкой — придание плите длиной 1500 мм фасонного контура и получение в самой плите 14 небольших круглых отверстий и пяти овальных пазов размерами 12X100 мм. С этой целью вырубили (за 5 с) 14 отверстий, затем высекли пять пазов (за 20 с) и вырезали лазером контур плиты по периферии (за 30 с). Для высечки такого контура на листоштамповочном прессе потре- 196
Рис. 11.2. Лазерный пресс типа ’’Лазерпресс” фирмы ’’Трумпф”, требующий незначительного количества обслуживающего персонала.
бовалось бы 80 с. За 22 с, например, лазерным прессом было вырезано несколько профилей по периферии круглого фрикционного диска.
Безусловно, приведенные примеры не только определяют степень ускорения процесса резки при использовании лазера, но и указывают возможности резкого сокращения времени наладки, загрузки, разгрузки и транспортирования, возникающие в результате внедрения лазерного пресса с ЧПУ типа CNC. Дело в том, что вырубку, высечку и лазерную резку можно осуществить на одном агрегате — лазерном прессе точно так же, как на многоцелевом станке фрезеруют, сверлят, растачивают и нарезают резьбу. При установке ножниц или листоштамповочного пресса, оснащенных ЧПУ типа CNC, эффективность также увеличивается по трем направлениям: в результате сокращения количества наладок, ускорения выполнения операций и увеличения эффективности манипулирования тяжелыми листами и сокращения объема вмешательства в эту работу операторов.
Когда листоштамповочный пресс с ручным управлением был заменен гибочным станком с ЧПУ типа CNС, то один оператор получил возможность обслуживать два таких станка. Причина в том, что отгибание всех боковых кромок панелей могло теперь осуществляться на одной машине одним комплектом инструментов путем выполнения без переналадок серии операций. Ранее на листоштамповочном прессе требовалось выполнить четыре загрузочные операции, три раза сме-
нить направляющие и один раз — штампы. В то же время, оснастив устройство ЧПУ типа CNC такой же листоштамповочный пресс, удалось добиться замены им группы небольших прессов, обслуживаемых прежде восемью операторами. Их производительность составляла порядка тысячи корпусов в месяц. Установка листоштамповочного пресса позволила снизить цикл обработки с 4 ч до 40 ... 60 мин.
В аналогичной ситуации фирма ”Оки электрик” установила на своем предприятии в г. Такасаки три лазерных пресса фирмы ’’Трумпф”. Цель их установки также состояла в замене группы небольших прессов. На зтом предприятии изготовляют небольшие печатающие устройства и миниЭВМ. В связи с выпуском изделий широкой номенклатуры мелкими партиями их шасси обычно изготовляют из стали или алюминия путем осуществления серии вырубных и гибочных операций. До установки лазерных прессов каждый оператор выполнял всего несколько операций, например, производил вырубку отверстий, гибку или обрубку и затем вручную передавал панель далее по линии обработки.
Установка трех лазерных прессов стоимостью 1 млн. ф. ст. привела к сокращению рабочей силы в цехе обработки листового металла с 90 до 65 человек. Размеры партии находятся в интервале от одной до 500 деталей в год. Лазерные прессы выполняют теперь 80% работ. Для их трехсменного обслуживания требуется восемь человек — по три человека в дневную и вечернюю смены и один — в ночную. Каждый оператор, работающий в дневную или вечернюю смены, должны снабжать пресс заготовками и по мере необходимости производить смену инструментов. Для сокращения количества обслуживающего персонала удаление отходов производят с помощью ленточного конвейера. В ночную смену оператор занят только загрузкой прессов, замена инструментов в его обязанности не входит.
Лазеры используют для резки низкоуглеродистой стали толщиной 1 ... 6 мм, коррозионно-стойкой толщиной 2 ... 3 мм и алюминия толщиной 1 ... 1,5 мм. Лазерные агрегаты не подходят для получения точных отверстий небольших диаметров: более производительны и точны в этих случаях листоштамповочные прессы с ЧПУ типа CNC.
Поскольку в качестве заготовок используют одинаковые листы размерами 0,914Х 1,83 м, фирмой ”Оки электрик” для сокращения количества отходов разработана собственная оптимизирующая программа раскроя. Разумеется, цикл резки зависит от размеров получаемой панели, но тем не менее его стремятся довести примерно до 2,5 мин. Для различных панелей составлено около 5 тыс. программ раскроя. Всего за 24 ч работы пресса применяются 150 инструментов.
Рис. 11.3. Новая система загрузки и разгрузки прессов фирмы ”Трумпф”
Чтобы обеспечить максимальное использование преимуществ, характерных для лазерного пресса, необходимо осуществить большой объем работ по планированию, включая установку правильного соотношения последовательности вырубки и лазерной резки и обеспечение выхода максимального количества деталей из каждой заготовки.
Непреднамеренные простои лазерных прессов составили всего 2 ... 3% при десятикратном увеличении производительности и сокращении времени окупаемости до 8 мес. Следует также отметить, что три лазерных пресса, заменив устаревшую систему обычных прессов, обеспечив экономию 130 тыс. ф. ст. в месяц.
Однако эти прессы еще не являются ГПС, поскольку для их обслуживания и манипулирования листами требуются операторы. Хотя было достигнуто значительное сокращение количества обслуживающего персонала, комплексно автоматизированная система с робокарами и многоярусными автоматизированными складами станет практически осуществимой лишь в таком цехе, где ликвидированы существующие до сих пор устаревшие технологические процессы. Следует отметить, что, установив на фирме ”Оки электрик” лазерные прессы и создав из них гибкий автоматизированный участок, фирма ’’Трумпф” соорудила для этих прессов склад листов, оснащенный подающими устройствами. Это позволило автоматизировать загрузку и выгрузку листов. Однако смену инструментов продолжают выполнять вручную (рис. 11.3) .
На гибком автоматизированном участке для хранения листов нередко используют многоярусный склад с автрматичес- ким складированием и поиском, а для их перевозки на рабо-
чий стол каждого пресса — робокар. Передающее устройство типа Trumalift-L поднимает лист с помощью чашечных присосов. Чтобы исключить поднятие более одного листа, между листами продувают струю воздуха. Загрузка занимает 20 с, после чего лист подают на пресс. Для удаления из пресса готовых панелей служит подъемное устройство типа Trumalift-E. Оно оснащено большим количеством присосов, поэтому может поднимать листы самого различного профиля. Следует отметить, что присосы работают независимо один от другого.
Фирма ’’Амада” (Япония) также выпускает автоматизированные системы на базе отдельных машин. В зависимости от объема и номенклатуры производства их можно скомпоновать в виде замкнутых участков или производственных линий. При установке машин в линию принимают следующую последовательность обработки: вырубка, резка на ножницах и гибка. С помощью программ раскроя панели выбирают таким образом, чтобы свести к минимуму отходы и выгрузить из рабочей зоны после резки на ножницах сразу три или четыре панели. Это осложняет манипулирование панелями. Поэтому при большой номенклатуре обрабатываемых изделий компоновка оборудования в виде замкнутых участков, по-видимому, эффективнее и может привести к уменьшению количества ’’узких мест” (рис. 11.4).
Одним из основных элементов автоматизированного участка является, как уже упоминалось выше, крупный многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском, откуда робокары доставляют листы к загрузочным устройствам, оснащенным однопозиционными подавателями листов. Листы, обработанные на каждой из входящих в участок машин, поступают затем на приемные столы, откуда их забирают робокары и доставляют на следующий участок или обратно на склад. На выходе участка резки на ножницах предусмотрен небольшой склад с несколькими стеллажами различных размеров (рис. 11.5).
На каждом из обоих описанных выше участков (вырубки и резки на ножницах) установлено два стола с встроенными конвейерами. Они передают по одному листу на загрузочное устройство. Панель поднимают вакуумными присосами и со скоростью 40 м/мин передают на вырубной пресс. Скорость его работы достигает 200 ходов в минуту. Вакуумные присосы или зажимы используют и на участке резки на ножницах, причем ножницы работают со скоростью до 75 ходов в минуту.
После вырубки листы подают непосредственно на разгрузочный стол, а после резки на ножницах они поступают на стол для распределения полученных заготовок по размерам. После этого распределения заготовки передают на много- 200
Рис. 11.4. Участок вырубки на базе листоштамповочного пресса с ЧПУ типа CNC.
Рис. 11.5. Участок резки ножницами, ярусный склад — на столы для штабелирования длинных заготовок или в кассеты для хранения заготовок небольших размеров.
На участке гибки листы загружают на стол, смещенный относительно самой гибочной машины. При перевороте кантователем листы попадают на другой стол, расположенный
201
на одной прямой с машиной. Переворот листов производят для того, чтобы заусенцы на них располагались сверху. После загрузки лист изгибают до требуемой формы и затем передают на подающий стол (рис. 11.6).
Увеличения гибкости гибочной машины достигают, оснащая ее устройством автоматической смены гибочных пуансонов. Их устанавливают над прессом и распределяют в ряд на расстоянии 50 ... 200 мм таким образом, чтобы края листов различных размеров могли быть загнуты без вмешательства оператора. Устройство автоматической смены гибочных пуансонов представляет собой механическую руку, имеющую возможность перемещения вдоль машины и передачи пуансона от его позиций к гидравлическому зажимному устройству. Фиксирование руки на пуансоне осуществляется путем ввода двух лапок в ее захватывающем устройстве в пазы, находящиеся на пуансоне. Хотя основным преимуществом руки является ликвидация вмешательства оператора при смене пуансонов, к нему добавляется ускорение смены пуансонов по сравнению с ручным методом.
Для смены пуансонов требуется около 5 мин. Теоретически операторы могут изменять это время в зависимости от состояния гибочной машины и пуансонов. Однако, поскольку у последних существует тенденция к заеданию, а механическая рука может прикладывать требуемое для смены пуансонов усилие лишь в определённом направлении, это заедание, будучи весьма нежелательным, вынуждает сохранять время смены примерно одинаковым.
В настоящее время специалисты фирмы ’’Амада” не считают практически целесообразной автоматическую смену
Рис. 11.6. Участок гибки.
инструментов в листоштамповочных прессах, поскольку у прессов применяется плотная посадка в пуансонодержателе (обычно с зазором всего 10 мкм). Общепринятой практикой смены пуансонов является рабочий интервал 10 ... 20 ч, поэтому, если одним устройством смены не обслуживать несколько прессов, оно будет недогружено. Однако для робота невозможен такой уровень допуска, который желателен для точного позиционирования револьверной головки. По аналогии с металлорежущими станками, по-видимому, наилучшим вариантом будет сочетание робокара с устройством автоматической смены инструментов. Фирме ’’Трумпф” удалось создать пресс, в котором револьверная головка заменена стойкой. На ней вдоль пресса расположено до 100 инструментов. Их смена производится роботом (рис. 11.7, 11.8) .
В ГПС такого типа применено такое же устройство управления, что и для станков. Безусловно, каждый пресс может программироваться и управляться вручную, что делают, например, при поломках, но в нормальных условиях собственное управляющее устройство имеет каждый участок, а также транспортная система. Задача этого устройства состоит в синхронизации работы различных агрегатов участка, например, подавателей, пресса с ЧПУ типа CNC и разгрузочного устройства. Для управления работой всей ГПС служит центральная ЭВМ. Кроме того, отдельная ЭВМ предусмотрена для подготовки управляющих программ.
Как и на станках, устройства ЧПУ типа CNC у новейших листоштамповочных прессов выполнены таким образом, что не требуют от программиста специальных знаний при их эксплуатации. Если, например, часть листа закреплена, то, естественно, для обработки ранее зажатого участка требуется переустановка листа. Зазоры должны быть согласованы с толщиной листа. Кроме того, если при штамповке на столе пресса остаются небольшие обрезки металла, штамповку необходимо прекратить вплоть до их удаления. Поскольку вероятность возникновения всех этих факторов предусмотрена в системе программирования устройства ЧПУ типа CNC пресса, оператору их учитывать не приходится.
Прессовые операции. При существующей технологии прессовых работ фактором, ограничивающим гибкость оборудования, является необходимость применения для каждого изделия отдельных штампов. Кроме того, при смене изделия обычно требуется и смена захватывающих устройств (при использовании автоматизированных траспортных устройств) . К тому же высокая скорость работы прессов определяет и высокие темпы работы загрузочно-разгрузочного и транспортного оборудования. Поэтому роботы применяют для этих целей обычно лишь на крупных прессах.
204
Рис. 11.7. Общая компоновка ГПС для обработки листового металла: 1 управляющая ЭВМ; 2 — участок резки ножницами; 3 — участок вырубки; 4 — участок гибки; 5 — автоматизированный склад
меняют 4—5) многопозиционные прессы экономически значительно эффективнее, чем связанные между собой однопозиционные. В многопозиционные прессы встраивают также передающее устройство, которое обеспечивает последовательное передвижение панели по позициям. Для перемещения совершенно плоских панелей применяют вдвигающиеся внутрь этих панелей штанги, захватывающие панель и передвигающие ее на следующую позицию пресса. После освобождения панели передающее устройство возвращается на исходную позицию. Для заготовок, полученных глубокой вытяжкой, используют передающее устройство, которое приподнимает их перед началом перемещения на следующую позицию.
Хотя подобные системы фактически разработаны для крупносерийного производства, уже известны случаи создания так называемых штамповочных центров. Фирма ’’Аида инджиниринг” изготовила, например, такой автономный центр для реализации метода последовательной обработки деталей фасонного профиля. Кроме многопозиционного пресса он включает устройство для подачи полосы (ленты) из рулона, склад для хранения материала и устройство автоматической смены штампов. Управление центром осуществляется от мини-ЭВМ. На одном конце его транспортной системы в складе расположены рулоны стальной полосы. Для их передачи от склада к устройству подачи рулона в пресс служит система манипулирования. Непрерывность процесса между этим устройством и прессом достигается за счет встраивания установок для обрезки и сварки рулонов. Первая обеспечивает обрезку и удаление использованного рулона, а вторая — приваривание начала нового рулона к концу предыдущего (рис. 11.9).
Вдоль пресса установлены комплекты штампов, смену которых производят автоматически после смены типоразмера
Рис. 11.9. Гибкий многопозиционный пресс:
1 — устройство автоматической смены штампов с блокированной позицией; 2 — устройство поворота заготовок на 180°; 3 — выдвижная подштамповочная плита; 4 — пресс
изделия. Теоретически это позволяет изготовлять на штамповочном центре детали большого числа типоразмеров малыми партиями с минимальным вмешательством обслуживающего персонала. Практически же у центра низкая рабочая скорость и не решены многие проблемы, связанные с привариванием рулонов. Например, без точного совмещения двух участков полоса с одной позиции на другую подается неправильно, в результате чего получается много отходов. Кроме того, редко соблюдается запланированный график автоматического перехода на выпуск новой партии изделий. Иногда первый пробный проход длится дольше, чем сама прессовая операция. Потребитель первого штамповочного центра сообщает, что ручная смена штампов происходит на нем быстрее и надежнее, чем автоматическая.
По этим причинам конструкция центра была упрощена и сейчас выпускается более совершенная модель. Для устранения основной причины неравномерности и ненадежной подачи материала рулонную полосу в большинстве случаев заменили отдельными заготовками. Их установка производится в держателе с автоматической регулировкой по высоте. Допускается загрузка центра с рулонным материалом (лентой). В этом случае рулоны проходят через заготовительную позицию, в которой имеется собственное устройство автоматической смены штампов.
Последняя модель штамповочного центра фирмы ’’Аида” выполнена на базе многопозиционного пресса с подвижными штамподержателями, выдвигающимися с одной его стороны. Вдоль пресса расположен трехпозиционный конвейер с тремя комплектами штампов. После снятия с пресса отработавшего комплекта штампов в рабочую позицию устанавливают новый комлект. По заявлению фирмы ’’Аида”,переналадка, включая смену штампов, занимает 3 ... 6 мин. Перед пуском пресса оператор каждый раз вводит в управляющее устройство несколько параметров, среди которых — подлежащее выпуску количество деталей данного типоразмера и закрытая высота штампа. Эти параметры могут вводиться автоматически и дистанционно (рис. 11.10).
Другой подход к проблеме повышения гибкости прессования принят фирмой ”Таллент”. Она разработала обладающую определенной гибкостью прессовую систему на базе двух многопозиционных прессов фирмы ’’Родс” и автоматизированного устройства передачи заготовок. Специалисты фирмы ’’Таллент” посчитали целесообразным затратить значительное количество времени на усовершенствование конструкции штампов. Они добились, что в настоящее время в основе их конструкции лежит модульный принцип и применена максимальная стандартизация, что позволяет обеспечить быструю автоматическую смену штампов. В результате смена штампов занимает теперь 15 мин, в то время как прежде ее выполняли 207
Рис. 11.10. Структурная схема системы управления гибким многопозиционным прессом:
А — цепь управления подавателем листового металла; Б — цепь управления длиной подачи; В — цепь управления штамповым стеллажом; Г — сигналы системы контроля качества продукции; Д — цепь управления автоматической регулировкой высоты штампа; Е — цепь управления выталкивателем деталей; Ж — цепь управления зажимом заготовки; И — сигналы поперечного направления полосы; К — команды на автоматическую регулировку; 1 — штамповый стеллаж; 2 — подаватель листового металла; 3 — устройство для смены штампов; 4, 6 — подаватель рулонов; 5 — центрователь кромки заготовки; 7 ~ выбрасыватель отходов; 8 — универсальный пресс.
четыре оператора за 5 ч. Для поддержания гибкости на требуемом уровне была выбрана система подачи материала с регулируемым захватом и подъемом, а также со скоростью подачи, бесступенчато регулируемой в пределах 0 ... 1 м/мин. Два пресса вместо одного были выбраны потому, что их можно использовать независимо один от другого, а при необходимости и для выполнения различных работ. Это одно из незначительных, нередко чисто теоретических преимуществ такой системы, хотя при оснащении подающим устройством фирмы ’’Дреер” она становится похожей на многопозиционный пресс.
Однако и в таких прессовых системах, где на повышение гибкости затрачено много усилий, именно по гибкости, а также по количеству требуемого обслуживающего персонала прессовые операции существенно отстают от механической 208
обработки. Тем не менее, они значительно эффективнее вырубки, управляемой от устройства ЧПУ типа CNC. Например, одинаковое количество отверстий может быть вырублено на обычном прессе за 0,5 с, а на листоштамповочном с ЧПУ типа CNC — за 20 с. Последующая фальцовка или фасонная гибка может быть выполнена на том же обычном прессе и в том же цикле обработки. В случае комбинации вырубки с фальцовкой на манипулирование листами может потребоваться 20 с, а на сам процесс фальцовки свыше 1 мин. Следует иметь в виду, что из-за коротких циклов обработки существующие обычные прессы неприменимы для обработки партий очень малых размеров. Например, для цикла 5 с затрата 3 мин на переналадку пресса при размере партии 36 деталей соответствует коэффициенту его использования 50%. Очевидно, что при таких малых размерах партии затраты на инструмент в любом случае будут непомерно велики.
Тем не менее, потребность в повышении уровня гибкости и сокращении количества обслуживающего персонала продолжает расти. Ее осуществление становится возможным при автоматизации загрузки прессов и смены штампов. Так, например, независимо от наличия отдельного участка вырубки или связи вырубных прессов с многопозиционными загрузка, выгрузка и транспортирование листового металла могут быть автоматизированы посредством робокаров. Для аналогичных операций с рулонами иногда предпочтительнее использовать самоходный вилочный автопогрузчик. С участка вырубки робокар забирает заготовки установленными партиями для передачи в многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском, а затем при необходимости доставки их к прессам. В настоящее время эти заготовки обычно остаются в углу цеха, ожидая перевозки автопогрузчиками на линии прессов.
Устройства для подачи заготовок, достаточно широко используемые в прессовых цехах, а также применяемые в сочетании с многопозиционными прессами другие загрузочно-разгрузочные и транспортные устройства исключают необходимость вмешательства операторов во всей линии прессов для выполнения загрузочно-разгрузочных и транспортных операций. Трудности, существующие с манипулированием тонкими заготовками, обрабатываемыми на прессах, не в последнюю очередь связаны с тем, что поддоны, на которых их доставляют в сварочный цех, обычно предназначены для ручной загрузки-разгрузки.
В некоторых случаях эти заготовки по желобам подают непосредственно в контейнеры, что может быть неприемлемо для их последующего захвата роботом. Особое внимание следует уделять внедрению поддонов в целях упрощения вы-
209
грузки заготовок из прессов и их загрузки на сварочном участке. Необходимым условием такого упрощения является обеспечение горизонтального положения панелей: именно в таком положении они выходят из прессов и подаются обычно в сварочные приспособления.
Важное значение в ГПС имеет проблема манипулирования штампами. Безусловно, как было установлено фирмой ’’Таллент” и японскими автомобильными фирмами, для автоматизации смены штампов необходимо добиться стандартизации их Конструкции и обеспечения жестких допусков на изготовление. Эти же условия являются решающими и для создания автоматизированной системы манипулирования штампами. Штампы, автоматически извлеченные с боковой стороны пресса, могут перемещаться к устройству автоматической смены штампов (аналогично тому, как это делается на многоцелевом станке, но, по-видимому, с тремя позициями для спутников) для дальнейшего транспортирования к накопителям. Для сокращения времени на смену штампов около каждого пресса или группы прессов располагают промежуточные накопители штампов, использование которых предусмотрено в данный рабочий день.
В дальнейшем на инструментальном участке планируют / организацию централизованных складов штампов, которые по мере необходимости будут автоматически забирать из накопителей и направлять их на эти участки для обслуживания, ремонта или внесения требуемых изменений. Безусловно, такая ГПС вполне осуществима и по сравнению с прессами, не объединенными в ГПС, обеспечит значительное повышение уровня управления коэффициентом использования оборудования, производственным циклом и качеством штампов. Следовательно, независимо от того, на каком оборудовании производится обработка партии заготовок (на листоштамповочных, фальцовочных прессах и ножницах или на гидравлических или механических прессах), цель остается прежней — резкое увеличение гибкости и значительное сокращение количества обслуживающего персонала.
ГЛАВА 12. ДАТЧИКИ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СВАРКИ
Два технологических процесса — сварку и обработку металлов давлением — при создании двух связанных между собой ГПС в идеальном случае следует рассматривать совместно. Оба этих процесса требуют больших затрат труда и довольно чувствительны к простоям, поэтому для их автоматизации существует немало стимулов. Однако при этом капитальные затраты по сравнению, например, с ручной сваркой настолько 210
велики, что у руководителей есть все основания сомневаться в реальной ценности автоматизации. Одна из проблем в данном случае состоит в том, что обычно не хватает количественных данных о скрытых потерях времени, возникающих при незапланированных перерывах, установке панелей или пластин в зажимные приспособления, манипулировании, а также в результате усталости, нарастающей у операторов в конце смены. При точной оценке и сравнении результатов запланированных и фактически проводимых в процессе сварки операций ее автоматизация начинает выглядеть в значительно более привлекательном свете.
Дуговую сварку следует автоматизировать прежде всего из-за существующих здесь очень тяжелых условий труда. Напомним, что оператору не только приходится постоянно смотреть на сварцой шов через сильно затемненное защитное стекло (что вредно для его зрения). Серьезной проблемой является также шум, дым и пары, образующиеся при сварке. Кроме того, при работе каждого оператора в изолированной сварочной кабине возникает тенденция к усложнению маршрутов сборки и затрудняется внедрение эффективных поточных линий. В этой ситуации неудивительно, что фактическое время сварки и соответственно общая производительность всего сварочного процесса довольно низки — нередко оператор- занят непосредственно сваркой всего лишь 30% рабочего времени.
Сварка — это область металлообработки, охватывающая широкий спектр технологических операций: от выполнения квалифицированным сварщиком индивидуальной сварки алюминиевой панели сложной конфигурации, сварки небольших партий деталей и, наконец, выполнения точечной сварки в крупносерийном производстве в автомобильной и электротехнической промышленности. Хотя ГПС и не подходят для всех типов производства, где выполняют сварку, реализация основных концепций, разработанных при их создании, безусловно поможет повысить производительность. ГПС наиболее приемлемы для предприятий, занятых средне- и крупносерийным производством панелей — их вырубкой, гибкой, обрубкой и последующей дуговой сваркой. Следует, однако, признать, что время создания полномасштабной ГПС для сварки еще не наступило и чтобы производительность такой ГПС достигла производительности наиболее эффективных ГПС для механической обработки, в дальнейшем придется решить много сложных проблем.
Наличие большого количества сварочных цехов определяет значительную широту концепций, закладываемых в основу ГПС для сварки. В цехе мелкосерийного производства использование ГПС, по мнению начальника цеха, должно обеспечить
изготовление и сварку почти всех деталей из номенклатуры выпускаемых цехом машин. Начальник цеха среднесерийного производства больше заинтересован в сокращении затрат на обновление инструментальной оснастки при переходе на новую модель изделия. В любом случае магистральным направлением создания ГПС для сварки будет использование роботов, а целью должно стать повышение гибкости и сокращение количества обслуживающего персонала до уровня более низкого, чем тот, который в настоящее время кажется практически обоснованным.
В некоторых цехах с выпуском продукции широкой номенклатуры небольшими партиями было бы целесообразно установить ГПС для обработки методом пластической деформации. Они включали бы оснащенные ЧПУ типа CNC листоштамповочные прессы, гибочные машины и ножницы, иногда в сочетании с прессом. В других случаях желательно создать цех для получения значительной номенклатуры деталей преимущественно ш тамповочными методами. Нужно отметить, что такие предприятия ориентированы на выпуск малого количества типоразмеров аналогичных изделий при очень большом разбросе конфигураций небольших узлов, из которых они составлены.
При установке ГПС или производственной системы, которая в дальнейшем может развиться в ГПС, будут использоваться и сварочные работы. В настоящее время выпущено большое количество таких роботов с руками преимущественно шарнирного типа. Хотя универсальность этих роботов — довольно важный фактор, у многих из них имеется возможность осуществления большего количества перемещений, чем требуется для выполнения их функций. Поэтому для обеспечения стабильности функционирования роботы снабжены большим количеством шарниров и их изготовляют с высокой точностью. В результате возникает тенденция к значительному повышению стоимости роботов. В последнее время разработаны более дешевые конструкции роботов меньших размеров. В цехах мелкосерийного производства их можно использовать для выполнения всех сварочных работ, за исключением сварки длинных швов в крупных узлах. В качестве общего правила рекомендуется использовать там, где это практически возможно, сварочные роботы наиболее простой конструкции (рис. 12.1).
Ключом к успеху в использовании роботов для сварочных ГПС является разработка необходимых датчиков. В конечном счете робот должен иметь возможность ’’видеть” начало шва и точно следовать по его траектории без обучения или контроля. В настоящее время разработка наиболее современных конструкций роботов ограничивается только возможностями датчиков. Существуют, например, датчики, впервые разработан-
Рис. 12.1. Роботизированная сварка с применением кондукторов ные японской фирмой ”Шин-Мейва”, которые позволяют обнаруживать начало сварочного шва при отклонениях расположения электродной проволоки в пределах 15 мм от правильной позиции. Они предназначены для обеспечения компенсации отклонений различных параметров зажимной оснастки. Электродная проволока используется в них в качестве щупа. Перемещая ее вблизи фактической точки сварки, формируют сигналы, необходимые для выполнения после каждого перемещения коррекции погрешности положения проволоки.
При сварке, например, двух металлических пластин — горизонтальной и вертикальной под углом 90° — проволоку подводят до контакта со стенкой пластины. Затем ее перемещают на некоторое расстояние в обратном направлении под углом 90° к этой стенке, поворачивают на 90° и вновь перемещают до контакта с другой стенкой. В результате ряда коррекций расстояние проволоки от свариваемого углового стыка между пластинами постепенно уменьшается до тех пор, пока она не займет правильную исходную точку. На эту процедуру требуется 20 ... 30 с, поэтому описанную систему можно использовать при сварке стыковых прямых и угловых соединений, но не всегда целесообразно применять для получения коротких швов.
Многие роботы оснащают также системами электрических датчиков, с помощью которых робот, введенный в действие в правильно определенной точке, может затем точно отрабаты- 213
вать траекторию сварки. Это необходимо при сварке пластин толщиной свыше 4,5 мм. Придерживаться указанной минимальной толщины следует потому, что при сварке производятся перемещения сварочной горелки поперек шва. При выполнении таких перемещений измеряют величину электрического тока. Если горелка проходит точно посредине траектории сварки, эта величина при одинаковых отклонениях в каждую сторону будет одинаковой. При изменении отклонения в ту или иную сторону изменяется и величина тока, в результате чего управляющее устройство производит соответствующие изменения позиции сварочной горелки.
Если в начале шва горелка находится не более чем в 20 мм от своего правильного положения, то для отработки роботом криволинейной траектории сварного соединения не требуется программирования робота. Это экономит общее время на программирование и может повысить коэффициент использования сварочного оборудования. Использование такой системы уменьшило в одном случае количество точек, программируемых методом обучения робота, с 13 до 8. Кроме того, появилась возможность использования зажимной оснастки менее точной, чем для роботов, не оснащенных электрическими датчиками.
Усовершенствование применяемых датчиков. В настоящее время многие исследователи стремятся усовершенствовать существующие системы технического зрения с тем, чтобы обеспечить с их помощью определение роботом начала сварного шва без вмешательства обслуживающего персонала. В числе тех, кто занят разработками в этом направлении, следует отметить фирмы ASEA, ’’Дженерал электрик”, RVSI (’’Роботик вижн системз”), ’’Юнимейшн” и ’’Кавасаки”, создавшие совместный проект — фирму ’’Мицубиси электрик” и группу исследователей Оксфордского университета.
Существует два типа систем технического зрения. Системы, разработанные фирмами ’’Юнимейшн”, ’’Кавасаки”, ’’Мицубиси электрик” и RVSI, используют преимущественно для сварки. Робот сперва делает один проход, во время которого установленный на нем датчик отслеживает положение траектории сварки, а затем второй, при котором он уже выполняет сварку. В системе ’’Юнимейшн — Кавасаки” используют проектор с изображением оптической щели и оптико-волоконное устройство, передающее это изображение на дистанционно расположенный детектор изображений и процессор. Для устранения помех от теней, возникающих при общем освещении предприятия, используют проектор с очень яркой лампой. Вначале робот захватывает со стойки датчик и вместе с ним проходит по заранее запрограммированной траектории сварки. В процессе контроля за ее отработкой регистрируются все
ошибки и в зависимости от них управляющее устройство соответственно изменяет траекторию робота. Затем робот возвращает датчик в первоначальное положение, заменяет его на сварочную горелку и выполняет сварку.
Для улучшения результатов контроля за отработкой роботом траектории сварки световую щель проектора направляют под углом 45° к свариваемой заготовке, а линза детектора регистрирует эту щель под углом 90° к той же заготовке, в результате чего возникает сдвиг изображения. Это изображение передается на графический дисплей и для определения необходимой компенсации фактическое изображение сравнивают с изображением ”со сдвигом”.
Фирма ’’Юнимейшн” рекомендует использовать один датчик для нескольких (до четырех) роботов для дуговой сварки, причем датчик может быть взят захватом и при необходимости использован каждым из этих роботов. Отмечается, что время прохода при контроле отработки траектории невелико и занимает всего лишь 10% от времени сварочного прохода. Поэтому общее увеличение цикла незначительно.
В системе технического зрения фирмы ’’Мицубиси-электрик” излучающий диод инфракрасного диапазона направляет луч света на сканирующее зеркало, осциллирующее с постоянной скоростью, для сканирования этим лучом поверхности заготовки. При сканировании робот перемещается по свариваемому соединению и получаемую фактическую картину сравнивают с изображением на индикаторе, где показана заданная траектория сварки. Для сокращения стоимости и ускорения обработки изображений в качестве устройства для восприятия площадей вместо телекамеры используют двухмерный матричный фотодиод (рис. 12.2).
Принцип двух проходов фирмы ASEA и R VSI выбрали в целях повышения надежности, а также потому, что скорость сварки не зависит от скорости восприятия изображения. При использовании установки фирмы ASEA на первый проход (для поиска траектории сварки) может обычно понадобиться около 1,5 с. С ее помощью можно обнаружить траекторию при нахлесточном соединении листов толщиной всего 0,8 мм. Отмечается, что точность поиска не хуже 0,4 мм.
Для защиты телекамеры и линз при сварке фирма RVSI установила подвижные заслонки, а непосредственно перед лин- зами продувает воздух. Система этой фирмы была использована фирмой ’’Дженерал-Моторс” на роботах для сварки стыков между крышей и панелями задней четверти кузова у легковых автомобилей. В этом случае на поисковый проход требуется 4 с, а на сварочный 6 с. Теоретически увеличение на 66% общего цикла сварки в результате использования поискового прохода робота, безусловно, является недостатком этой
Рис. 12.2. Схема системы технического зрения при роботизированной сварке:1 — сварное соединение; 2 — чувствительная зона; 3 — сканирующее зеркало; 4 — коллимирующая линза; 5 — светодиод; 6 — детектор; 7 — оптическая линза; 8 — траектория светового пятна; 9 — изделиеРис. 12.2. Схема системы технического зрения при роботизированной сварке:1 — сварное соединение; 2 — чувствительная зона; 3 — сканирующее зеркало; 4 — коллимирующая линза; 5 — светодиод; 6 — детектор; 7 — оптическая линза; 8 — траектория светового пятна; 9 — изделие
Рис. 12.2. Схема системы технического зрения при роботизированной сварке:
1 — сварное соединение; 2 — чувствительная зона; 3 — сканирующее зеркало; 4 — коллимирующая линза; 5 — светодиод; 6 — детектор; 7 — оптическая линза; 8 — траектория светового пятна; 9 — изделие
Рис. 12.2. Схема системы технического зрения при роботизированной сварке:
1 — сварное соединение; 2 — чувствительная зона; 3 — сканирующее зеркало; 4 — коллимирующая линза; 5 — светодиод; 6 — детектор; 7 — оптическая линза; 8 — траектория светового пятна; 9 — изделие
Рис. 12.3. Схема датчика, разработанного Оксфордским университетом для управления роботом при сварке:
1 — защитный газовый кожух; '2 — циклическая линза; 3 — источник лазерного излучения; 4 — прибор с зарядовой связью фирмы ’’Ферчайлд”; 5 — инретференционный светофильтр; 6 — сферическая линза; 7 — окно.
системы. Практически же ввиду того, что самому роботу на перемещение к кузову и от него требуется несколько секунд, а весь цикл сварки кузова занимает 40 с и более, такое увеличение цикла в данном случае недостатком не является. Однако во многих случаях оно может им стать.
В системе датчиков, разработанной Оксфордским университетом совместно с фирмами ’’Бритиш Лейланд текнолоджи”, ’’Фери отомейшн” и GEC Electrical Projects, на сварочной горелке устанавливали лазер инфракрасного диапазона и полупроводниковый датчик изображений. Луч света, испускаемый лазером, проходит через цилиндрическую линзу таким образом, что формируемая этой линзой узкая полоса света направляется на свариваемые панели на расстоянии примерно 16 мм перед сварочной горелкой. Вторую телекамеру направляют на только что сваренный шов. В дальнейшем ее используют для контрольных операций. Первая камера рассматривает сварной шов в виде изогнутой линии. С помощью программного обес- 216
печения управляющего устройства это изображение описывают для определения траектории сварки (рис. 12.3; 12.4).
Эта система датчиков разработана для использования в автомобильной промышленности при сварке тонколистовой стали в условиях крупносерийного производства. Поэтому основная ее задача заключается в определении отклонений в позициях свариваемых панелей. С помощью системы можно найти начало траектории сварного шва на расстоянии до 5 мм от его правильного положения. После начала сварки нормальным пределом является половина этого диапазона (2,5 мм), но его можно запрограммировать и на всю величину (5 мм). С помощью дополнительного программного обеспечения нужные функции системы можно автономно запрограммировать с терминала ЭВМ и по мере необходимости посылать требуемую программу роботу.
Система видеодатчиков фирмы ’’Дженерал электрик” также создана на базе полупроводниковой телекамеры и лазерного диода, обеспечивающего направление на пластину сетчатого изображения. Датчик прикреплен к руке робота, а для обратной связи при передаче изображений в управляющее устройство служат оптико-волоконные кабели.
В настоящее время обучение сварочных роботов отслежи-
Рис. 12.4. Сварка автомобильного кузова с применением визуального датчика.
ванию основных профилей сварных швов приходится проводить в оперативном режиме. Это не представляет проблемы при размерах партии в несколько тысяч изделий, но приводит к значительному снижению коэффициента использования оборудования при ее величине 1—10 изделий. Наличие датчиков, применение которых возможно при различных типах производства, делает практически целесообразным предварительное автономное программирование наладочного робота и затем передачу полученной программы роботу, установленному в производственной линии. В последующем программирование будет выполняться с помощью терминала ЭВМ в удалении от робота, что приведет к дальнейшему снижению простоев оборудования.
Необходимо отметить, что применение визуальных датчиков позволит ожидать увеличения коэффициента использования оборудования с 30% (при ручной дуговой сварке) до примерно 80%. Одного такого фактора достаточно для обоснования дополнительных расходов на оборудование, тем более что роботы почти во всех случаях выполняют дуговую сварку как минимум вдвое быстрее операторов. Если же возникнет возможность объединения роботов с механическим оборудованием для загрузки, разгрузки и транспортирования, то в этом случае речь может пойтй уже о создании экономически эффективной ГПС.
Применение роботов значительно увеличивает производительность сварки и при наличии нескольких человек обслуживающего персонала. Это происходит потому, что даже при оперативном обучении роботов простои снижаются до 30% (при ручной сварке они заставляют 50%) и скорость сварки у роботов выше, чем у операторов. Специалисты фирм ASEA и ESAB, совместно занимающиеся исследованиями применения роботов для дуговой сварки, установили, что при роботизированной сварке можно повышать величину сварочного тока и скорость перемещения сварочной горелки. Например, материалы, которые вручную сваривают со скоростью 0,7 м/мин, роботами можно сваривать со скоростью 2,5 м/мин, т.е. почти в 3,5 раза быстрее.
И все-таки сварка очень крупных деталей, для которых из-за их больших размеров не создано зажимных приспособлений, до настоящего времени не поддается роботизации. Дело в том, что много времени требуется на установку деталей и обучение робота по созданной для этой цели программе. В то же время при ручной сварке оператору до начала работы нужно установить всего лишь несколько прихватов. Поскольку установка свариваемой детали и обучение робота требуют много времени, оператор вынужден длительное время оставаться на рабочем посту. Поэтому от него трудно ожидать 218
резкого повышения производительности. Применив датчики, позволяющие найти исходную точку свариваемого шва и отслеживать в дальнейшем траекторию сварки без вмешательства обслуживающего персонала, ситуацию можно в значительной степени изменить к лучшему.
Иное положение в тех случаях, когда необходимо выполнять много коротких швов. В качестве примера отметим, что робот модели Г3 фирмы’’Цинциннати Милакрон” использовали при сварке оснований рам ЭВМ, причем величина партии составляла 35—75 изделий. Основание представляло собой квадратную трубчатую конструкцию с тремя поперечинами и несколькими короткими кронштейнами. На несложном зажимном приспособлении оно было смонтировано с помощью прихватов. На самом роботе также были установлены отдельные виды сварочного оборудования, включая катушку сварочной проволоки. Ручная сварка 44 швов длиной около 50 мм каждый заняла 42 мин, роботизированная —12 мин.
Длина всех сварочных швов составила в общей сложности около 2,2 м. Необходимость совершения оператором в процессе сварки примерно 40 движений также можно отнести к недостаткам ручной сварки и соответственно к преимуществам роботизированной. Оператору приходится, кроме того, решать, в какой последовательности выполнять сварку, а в процессе сварки передвигаться вокруг зажимного приспособления. На все эти процедуры ему требуется дополнительное время. После окончания сварки оператор должен проверить, все ли шры им выполнены. Робот в отличие от оператора производит сварку непосредственно по заданному ему циклу без перерывов и замедления к концу дня. Такие различия между роботом и оператором привели к тому, что время роботизированной сварки по сравнению с ручной сократилось на 70%. Для увеличения производительности в том же объеме при ручной сварке фирме пришлось бы дополнительно нанять двух- трех человек.
Фирмы ESAB и ASEA располагают большим количеством данных, показывающих, каким образом добиваются повышения производительности фирмы, внедрившие их сварочные роботы (обычно в комплекте с несложными зажимными приспособлениями) . На итальянской фирме ’’Фантик мотор”, например, были внедрены роботы фирмы ASEA для дуговой сварки рам небольших мотоциклов. Теперь 90% сварочных работ выполняют с помощью роботов. Управляющий производством фирмы заявил, что в результате внедрения роботов производительность сварки утроилась и достигла 110 рам в смену. По сообщению английской фирмы ’’Даудесвелл инжиниринг”, выпускающей сельскохозяйственное оборудование, роботы и Здесь выполняют сварку втрое быстрее операторов.
Такое заявление подтверждается убедительными примерами. Так, фирма ’’Сперри Нью Холланд’’ (Бельгия) установила робот для сварки крупногабаритных картеров коробок передач размерами 720Х 420Х 400 мм с толщиной стенок 16 мм. Длина сварных швов на каждом картере составила в общей сложности 7,3 м. Сварка была выполнена на 32 прохода, причем ручная сварка длилась 69 мин, робот выполнил ее за 33 мин. Аналогичные преимущества роботизации проявились также при сварке деталей значительно меньших размеров и с более тонкими стенками. Речь идет о раме массой 4 кг для сиденья легкового автомобиля, изготовляемой из пластин толщиной 0,9 ... 3 мм. На каждой раме нужно выполнить 22 шва общей длиной 550 мм. Ее ручная сварка потребовала 2,4 мин, а с помощью робота — 1,5 мин. Поддон из листового материала толщиной 1,5 мм, предназначенный для транспортной тележки, имел 44 шва длиной в среднем по 35 мм. Сварка была произведена оператором за 10,8 мин, а роботом за 4,5 мин. Все приведенные примеры убедительно показывают, что применение роботов совместно с простыми зажимными приспособлениями может обеспечить резкое повышение производительности при сварочных работах.
На пути к созданию ГПС. Описанные выше сварочные системы не представляют собой ГПС. Наиболее близко к этому определению подходит производственная система на предприятии японской фирмы ’’Ямаха мотор” в г. Хамакита, где установлено 145 роботов, хотя и эта система как по компоновке, так и по количеству обслуживающего персонала далека от ГПС для механической обработки в их традиционном варианте. На фирме ’’Ямаха” несложные роботы собственной конструкции работают в три смены и установлены на небольшом предприятии с производственной площадью 21 тыс. кв. м. Свариваемые мотоциклетные рамы выполнены из нескольких круглых стальных труб и штамповок с толщиной стенок около 2 мм. Их выпуск составляет 150 тыс. шт. в месяц. Длина большей части сварных швов невелика, и многие из них выполнены в стыках труб. Для сварки применяют роботы напольного и портального типа, работающие соответственно в полярных и прямоугольных координатах с четырьмя степенями подвижности.
Основная проблема при установке роботов состояла в обеспечении достаточной точности зажимных приспособлений. Закрепление тонкостенных труб необходимо выполнять с точностью ± 0,02 мм; для других заготовок достаточно точности ± 0,05 мм. В любом случае при замене ручной сварки сваркой роботами требуется повышение точности закрепления в зажимных приспособлениях, а нередко и более точное изготовление заготовок, в данном случае штамповок. Не совсем
точную установку панели оператор может скомпенсировать, отжав или выгнув ее в нужном направлении. Применяемая на фирме ’’Ямаха” сварка в атмосфере углекислого газа сравнительно толстостенных труб или панелей обеспечивает отсутствие деформации металла во время сварки. Деформация может стать крупной проблемой при сварке панелей толщиной 0,8—1,5 мм.
Портальные роботы расположены в несколько рядов и предназначены для сварки штамповок, закрепленных в специальных приспособлениях. Сами приспособления установлены на поворотных столах, которые могут вращаться на горизонтальных осях. В приспособлении выполнено отверстие большого диаметра для прохода через него свариваемого узла, а под приспособлением имеется установленный на кронштейне лоток. Оператор устанавливает и закрепляет узел в приспособлении вручную. Одновременно с нажатием им пусковой кнопки перед рабочей зоной автоматически задергиваются две защитные шторки, предотвращая воздействие на оператора яркого свечения сварочной дуги. После этого приспособление поворачивают на требуемый угол для обеспечения контакта сварочной горелки с узлом. После окончания сварки приспособление разжимается и через отверстие в нем заготовка падает в лоток. Лоток поворачивается так, чтобы заготовку можно было вынуть позднее, и шторки автоматически раскрываются. На каждой сварочной линии работает три оператора, занятых установкой заготовок в зажимные приспособления и выполнением нескольких дополнительных сварочных швов.
На других сварочных участках предприятия используют три типа зажимных приспособлений: поворотные столы, приспособления, имеющие возможность автоматического поворота на 180° для сваривания роботом рамы с обеих сторон, и жестко установленные приспособления. Разумеется, все они специализированы на установке определенных типов рам.
Предприятие в г. Хамакита, где установлены упомянутые выше роботы, работает в три смены. На нем занято 200 основных рабочих. Из 145 роботов 135 — напольного типа, работающие в полярных координатах, и 10—портального. Два робота заменяют в среднем в смену одного оператора. Если сварка простая, для замены оператора достаточно одного робота, а если очень сложная — то для его замены нужно три робота. Таким образом, роботы заменяют 220 человек. К недостаткам этой системы относятся ее сравнительно невысокая гибкость и отсутствие механической загрузки, выгрузки и транспортирования заготовок.
Для переналадки зажимных приспособлений с одной рамы на другую требуется примерно 40 мин. Загрузочные, разгрузочные и транспортные операции при этой переналадке (осо-
бенно на сварочных постах) выполняются вручную. Некоторые сборочные узлы предварительно сваривают и затем собирают вместе с рамой. Однако для использования преимуществ, свойственных ГПС, сборочные узлы и трубы рамы следовало бы устанавливать в зажимные приспособления на отдельных позициях с дальнейшей автоматической перевозкой робокарами на сварочные посты. Приняв такую концепцию с кодированием каждой рамы, можно было бы добиться значительного повышения гибкости. В этом случае благодаря устранению необходимости смены зажимных приспособлений не только сократились бы простои, но и появилась бы возможность сварки рам в произвольном порядке, что привело бы к уменьшению объема незавершенного производства.
Предприятие в г. Хамакита, работающее, как уже упоминалось, в три смены,находится в довольно стесненных условиях. Проходы там очень узкие и поэтому для создания ГПС потребовалась бы дополнительная производственная площадь. Несмотря на то, что рабочий цикл роботов составляет в настоящее время около 2 мин, тем не менее, придерживаясь принципа установки в зажимные приспособления на отдельных позициях и удлинения рабочих циклов (допустим, до 12 ... 20 мин), можно практически сократить количество используемых роботов.
Хотя изделия на фирме ’’Ямаха” запускают в производство партиями, объем выпускаемой продукции достаточно велик, поэтому наиболее рациональной формой организации производства является поточная. Однако создание ГПС потребует применения другого принципа организации производства и наиболее целесообразным, вероятно, будет производство изделий небольшими партиями. Уже разработаны один или два сварочных комплекса, в которых робот оснащен захватывающим устройством для заготовок и сварочной горелкой. Ориентируя заготовки с помощью системы технического зрения, он может позиционировать свариваемые плиты в универсальном зажимном приспособлении, сваривать их между собой и затем устанавливать на поддоны или передавать на следующую рабочую позицию. Наиболее рационально применение такого комплекса для сварки небольших узлов и кронштейнов, хотя при манипулировании ими возникают некоторые проблемы.
Другая конструкция сварочного робота — двурукий робот — предложена японской фирмой ”Шин Мейва”. Его главная рука расположена горизонтально и снабжена вертикальными шарнирами. На ее конце подвешена колонка, несущая захватывающее устройство. Дополнительная рука, оснащенная сварочной горелкой, поворачивается на половину высоты этой колонки. Таким образом, робот может захватывать и пози-
ционировать пластину относительно другой заготовки, а также пристыковывать пластину, в то же время придерживая заготовку. С применением робота такой конструкции становится возможной сварка без вмешательства обслуживающего персонала.
Робот, оснащенный, например, соответствующими устройствами для подачи заготовок, мог бы в определенной последовательности загружать и прихватывать на стандартном поддоне пластины и другие элементы конструкций. Затем поддоны могли бы быть переданы для завершения сварки на другие роботизированные сварочные комплексы, возможно через многоярусный склад с автоматическим складированием и поиском. Таким образом, можно сократить расходы на зажимные приспособления и проложить путь к подлинной ГПС для сварки. При сварке толстостенных пластин на других сварочных постах будут пригодны существующие сварочные роботы, преимущественно оснащенные разработанными в настоящее время системами датчиков для контроля траектории сварного шва. Для сварки тонкостенных панелей, используемых, например, в автомобильной промышленности или в промышленности по выпуску бытовых изделий, понадобятся датчики более совершенной конструкции.
Практически точечную сварку выполняют в любом сварочном цехе серийного производства. Здесь намечается один из путей перехода к ГПС, который заключается в использовании стандартных стационарных машин для точечной сварки и в оснащении их роботами, которые обеспечивают манипулирование заготовками и управление самими машинами. При осна- - щении руки робота универсальным захватывающим устройством или несколькими схватами на стационарной машине можно окончательно сваривать любые предварительно прихваченные узлы. Безусловно, переданный роботу узел должен быть правильно ориентирован. Для выполнения прихватки необходимо применение различных вариантов двуруких роботов.
Применение для прихватки робота, способного наряду со сваркой выполнять загрузочно-разгрузочные и транспортные операции, может в принципе способствовать ликвидации на многих предприятиях необходимости в ручном проведении этих операций, открыв тем самым дорогу к созданию подлинных ГПС для сварки (с робокарами для перевозки узлов по мере необходимости). Однако использование этого решения зависит от многих факторов. В некоторых случаях не существует иного выбора, кроме добавления на промежуточных рабочих позициях дополнительных пультов управления или элементов конструкций. Если необходимо соединить между собой крупные узлы, наиболее рациональным, по всей вероятности, будет применение отдельной позиции для установки за-
готовок. Эту операцию можно механизировать, обеспечив надежную конструкцию .базовых деталей, но и при ручном ее выполнении нужно организовать промежуточный накопитель с тем, чтобы она была практически целесообразна, обеспечивая ограниченное вмешательство обслуживающего персонала.
При сварке небольших деталей преимущество скорее всего следует отдавать объединению на этих позициях сварочных роботов с роботами для манипулирования заготовками или использованию двуруких роботов. В любом случае возникают потенциальные возможности для осуществления в некотором объеме безлюдного производства или по крайней мере ликвидации необходимости в проведении операторами загрузочноразгрузочных и транспортных работ. Скорее всего при этом понадобится контроль за роботами, особенно при обслуживании ими существующего в настоящее время сварочного оборудования.
Для обеспечения работоспособности такой системы цель должна состоять в увеличении длительности рабочих циклов с тем, чтобы свести к минимуму время остановки роботов и установки свариваемых узлов. При использовании упоминавшегося принципа установки в зажимные приспособления на специально выявленных позициях нужно пересмотреть конструкцию узлов, обеспечив сведение к минимуму количества небольших узлов, подаваемых в процессе сварки. Наиболее рациональна одновременная установка в зажимные приспособления всех свариваемых пластин и элементов конструкций. Для выполнения такого требования следует усовершенствовать конструкцию приспособлений, что приведет в дальнейшем к значительному увеличению коэффициента использования оборудования.
Безусловно, основным ограничением для этой системы стали бы размеры зажимных приспособлений, поэтому при ее практической реализации сварочные комплексы следует создавать в соответствии с размерами собираемых изделий. При больших размерах партий или при сборке узла из большого количества панелей или подузлов оптимальным решением явилось бы комплексное использование сварочных роботов: либо с робокарами для перевозки подсборок вдоль сборочной линии, либо с роботами, выполняющими на рабочих позициях загрузочно-разгрузочные и транспортные операции. Однако для устранения сложностей и ограничений, характерных для такой системы, следует всемерно избегать подхода к ней как к поточной линии, даже если для этого придется несколько изменить конструкцию свариваемых деталей.
Везде, где это практически оправдано, следует использовать принцип замкнутых участков. В соответствии с этим принципом в сварочном комплексе может быть использовано 224
Рис. 12.5. Сочетание робота с поворотным столом
2—3 робота для выполнения сварки с нескольких сторон либо собираемый узел может быть установлен на поворотном столе или другом позиционирующем устройстве. Разумеется, иногда в связи с необходимостью изменения положения узла или добавления к нему на определенном этапе подсборок в комплексе может понадобиться более одного сварочного поста. Одно из практических препятствий к применению такого принципа — ограниченное количество команд, которое может быть введено в память робота. Однако при подключении к его системе управления внешней памяти, например, памяти на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), это препятствие в большинстве случаев отпадает.
Если при создании ГПС в обязательном порядке приходится следовать принципу поточной линии, то особенно большое внимание в таком случае следует уделить конструкции зажимных приспособлений. Направление создания по такому принципу ГПС для сварки в определенной степени формируется системой поворотных столов. В этой системе робот ведет сварку с одной стороны стола, а оператор выполняет загрузку и разгрузку с другой. По всей видимости, сравнительно несложно установить в одну линию ряд поворотных столов в зависимости от цикла обработки, передавая между ними заготовки с помощью робота или робокара (рис. 12.5).
Залогом успешного внедрения такой системы является рациональная конструкция зажимных приспособлений и поддонов. Поскольку сваривают конструкции самых различных размеров и конфигураций, стандартные зажимные приспособления для них обычно не подходят. В качестве варианта можно
использовать стандартные поддоны, на которые устанавливают нестандартные приспособления. В качестве поддона вполне применима сварная конструкция, устанавливаемая на поворотном столе в четырех фиксируемых положениях. Примерами деталей могут служить V-образные блоки цилиндров двигателей, базирующиеся на конических пальцах. При разработке специального стола для приспособлений робокар можно оснастить подъемным устройством, которое обеспечит захват поддона и передачу его на стол, затем выполнит подъем поддона и после перемещения стола вниз опустит поддон на базирующие пальцы. Затем поддон закрепляют в требуемом для сварки положении. Применение такой системы было бы рационально при повторяющихся партиях изделий, например, в случае их изготовления для внутризаводских нужд.
Необходимость в таком большом количестве зажимных приспособлений требует очень крупных капитальных затрат, что для небольших партий изделий экономически неоправ- дано. В связи с этим может оказаться целесообразным сочетание поддонов со стандартными прихватами, хотя тут, по- видимому, неизбежно применение ручной установки. Как бы то ни было, для обеспечения универсальности и надежности сварочного комплекса, безусловно, необходимы роботы, оснащенные техническим зрением, датчиками усилий и универсальными устройствами подачи деталей.
Практическим решением проблемы подачи деталей является применение наклонного ленточного конвейера, который прдназначался в свое время для разработанной фирмой ’’Вестингауз” (США) системы APAS, или поддонов с предварительно установленными на них заготовками. В системе APAS заготовки попадают на конвейер, лента которого перемещается вверх, откуда их передают на аналогичный конвейер с лентой, движущейся в обратном направлении. Затем заготовки проходят под регулируемым ограничителем высоты и попадают на отсекатель, поочередно подающий заготовки на рабочую позицию.
Поскольку такая система не подошла бы для всех подвергнутых гибке пластин и вообще была бы непригодна для листовых деталей, то более приемлемым решением может стать применение поддонов с точно уложенными в штабели заготовками. Такую систему несложно реализовать в случае создания в соседнем цехе ГПС для обработки методом пластической деформации с роботами, выполняющими загрузочно-разгрузочные и транспортные операции.
Создание ГПС для дуговой сварки практически возможно и на базе существующих в настоящее время роботов. При объединении сварочных роботов с подготовительными участком, робокарами, зажимными приспособлениями и роботами 226
для проведения загрузочно-разгрузочных и транспортных операций может быть создана производственная система, обладающая потенциальными возможностями получения высокого коэффициента использования оборудования при ограниченном вмешательстве обслуживающего персонала.
Точечная сварка. Использование роботов при точечной сварке' связано с внедрением в автомобильной промышленности жесткой автоматизации. Это значительно ограничило гибкость роботов и в силу традиционного мышления привело к сплошному использованию в этой отрасли поточных линий. Немалую роль в ограничении гибкости сыграло и то, что устройства для подачи заготовок обычно рассчитывались только на одну конкретную деталь.
Хотя для достижения гибкости в автомобильной промышленности использовалось множество роботов различных конструкций и типов, почти все они имели поточный принцип. Не в последнюю очередь это вызвано тем, что, например, на участке, где прихватывают друг к другу различные части кузова, все еще продолжают использовать машины для многоточечной сварки. Кузова передают на шаговые конвейеры, пригодные для работ с циклом 60 ... 90 с, но недостаточно быстроходные для работ с более коротким циклом (примерно 45 с). Дело в том, что для выполнения самого движения на один шаг конвейера требуется не менее 15 с, а к тому времени, когда роботы будут в рабочем положении, непосредственно на сварку остается всего лишь около 25 с. Таким образом, максимально возможный коэффициент использования робота непосредственно для сварки не превысит 50% цикла.
Одно из решений по ускорению цикла сварки — проведение сварки кузова во время его перемещения по сборочной линии. Оно принято на фирме ’’Дженерал моторе” (США). Преимущество этого решения — в ликвидации сложной системы шаговых конвейеров, хотя при этом возникает необходимость в точном позиционировании кузова в течение всей операции сварки. При использовании роботов, оснащенных визуальными датчиками, решается и эта проблема, поскольку в этом случае роботы смогут перемещаться не на заранее запрограммированную позицию, а туда, где фактически находятся свариваемые детали, например фланцы.
Фирмой ’’Фанук” разработана система технического зрения, повышающая точность позиционирования робота. Телекамера, установленная над оборочной линией, определяет положение трех точек свариваемого кузова, что позволяет управляющему устройству рассчитать его фактическое положение и выдать соответствующие команды роботам на рабочей позиции. Фирма ’’Токико” разработала систему визуальных датчиков, устанавливаемую на роботе и предназначенную для
Рис. 12.6. Схема разработанной фирмой ’’Токико” системы контроля траектории робота при выполнении сварного шва:а — робот; б — типы сварных швов; в — оптические изображения профиля; 1 — насосная станция; 2 — тележка для перемещения робота; 3 — сервопривод для визуального управления траекторией перемещения робота по сварному шву; 4 — пульт управленияРис. 12.6. Схема разработанной фирмой ’’Токико” системы контроля траектории робота при выполнении сварного шва:а — робот; б — типы сварных швов; в — оптические изображения профиля; 1 — насосная станция; 2 — тележка для перемещения робота; 3 — сервопривод для визуального управления траекторией перемещения робота по сварному шву; 4 — пульт управленияТелека мераТелека мера
Рис. 12.6. Схема разработанной фирмой ’’Токико” системы контроля траектории робота при выполнении сварного шва:
а — робот; б — типы сварных швов; в — оптические изображения профиля; 1 — насосная станция; 2 — тележка для перемещения робота; 3 — сервопривод для визуального управления траекторией перемещения робота по сварному шву; 4 — пульт управления
Рис. 12.6. Схема разработанной фирмой ’’Токико” системы контроля траектории робота при выполнении сварного шва:
а — робот; б — типы сварных швов; в — оптические изображения профиля; 1 — насосная станция; 2 — тележка для перемещения робота; 3 — сервопривод для визуального управления траекторией перемещения робота по сварному шву; 4 — пульт управления
Телека мера
Телека мера
отыскания точного положения паза сварного шва перед нанесением на него собственно сварного шва. Телекамера и источник света находятся перед насадкой для подачи присадочного материала и отстоят от нее на расстоянии 10 мм. Применение этой системы позволяет уменьшить погрешность позиционирования с 10 мм и более до 1 ... 2 мм, что делает ее приемлемой для точечной сварки (рис. 12.6).
При использовании конвейеров возникает необходимость увязки их характеристик с большим количеством различных агрегатов и исключения изменений инструментальной оснастки при внедрении новой модели изделия. В настоящее время наиболее универсальной, по всей вероятности, следует считать линию, установленную на предприятии автомобильной фирмы ”Тойо Коге” в г. Хофу. На основной позиции сборки рам узлы, располагаемые при сборке сбоку, опускают вниз на боковые зажимные приспособления, которые перед входом в основное приспособление поворачиваются на 90°. Боковые приспособления выполнены трехсторонними. Каждая их сторона предназначена для определенного типа кузова: одна, например, для небольшого кузова типа хэчбек, другая — для средних размеров кузова типа седан и третья — для спортивного кузова типа купе. Кроме того, на каждой стороне приспособления установлены многоместные зажимы, что позволяет изготовлять на линии по три модели каждого типа кузова. В таких приспособлениях нередко применяют и комбинированные зажимы. Тем не менее машины, используемые для многоточечной сварки, являясь элементом жесткой автоматизации, 228
препятствуют достижению системой подлинной гибкости (рис. 12.7).
При сварке кузовов автомобилей наиболее близка к ГПС система комплексов ’Тобогейт” (Robogate), совместно разработанная фирмами ’’Фиат” и ’’Комау”. Здесь полностью исключено применение многоточечных сварочных машин и конвейеров. Сварку рам и окончательную сварку кузовов проводят роботами на специальных четырехпозиционных зажимных приспособлениях. Основные узлы без помех собирают на поддонах на предыдущей рабочей позиции и удерживают в требуемом положении соединяемые далее свободные концы основных узлов. Затем поддон и кузов с помощью робокара с индуктивным управлением перевозят на первый комплекс. Эти же робокары служат в дальнейшем для перевозки кузовов через всю систему комплексов.
Каждый комплекс включает приспособления для установки поддона; несущего кузов в определенной позиции, и зажимы, удерживающие узлы кузова в правильном положении. Для оснащения комплекса предусмотрено два, три или четыре робота. Одни роботы устанавливают на полу, а другие на порталах четырехпозиционного зажимного приспособления.
При вводе кузова в комплекс поддон опускается на четыре базовые точки и в этой позиции фиксируется. Затем с помощью зажимов обеспечивают точное позиционирование панелей, после чего роботы осуществляют сварку. Сваренный кузов на том же робокаре перемещается к следующему комплексу. Комплексы (до шести в одной системе) располагают параллельно друг другу. Для сварки рам и окончательной
Рис. 12.7. Точечная сварка с помощью роботов на поточной линии
Рис. 12.8. Комплекс ’’Робогейт” фирмы ’’Фиат”, обеспечивающий сварку кузовов с помощью нескольких роботов
сварки кузова требуется выполнить примерно 500 сварных точек. Производительность системы из шести комплексов достигает 60 кузовов в час. Ее можно применить для всех циклов сварки, за исключением наиболее коротких (рис. 12.8).
Возможность входа кузовов в комплекс с двух сторон обеспечивает очень высокую гибкость системы. Например, с одной стороны комплекса может быть введен кузов больших размеров, который закрепляют с помощью предназначенных для него зажимов. Через одну и ту же систему комплексов может пройти три или четыре варианта одной модели кузова. С другой стороны может быть введен в определенном или произвольном порядке кузов другой модели и закреплен там с помощью предназначенного для него комплекта зажимов. Разумеется, кузова любого типа и модели могут быть обработаны в произвольной последовательности в зависимости от потребностей, но в целях максимального использования возможностей оборудования их необходимо вводить с обеих сторон комплекса попеременно, иначе в то время, когда один робокар входит в комплекс, а другой выходит оттуда, между ними может возникнуть рассогласование по времени. Теоретически кузов после прихватки на первой рабочей станции может быть введен в любой комплекс при условии, что управляющая ЭВМ системы обеспечит передачу роботам этого комплекса требуемые программы. Еще одно преимущество этой системы, характерное также и для ГПС,
заключается в том, что при выходе из строя одного комплекса сварка может продолжаться практически в том же темпе.
В то же время следует отметить, что система комплексов ’’Робогейт” занимает примерно на 30% больше производственной площади, чем обычная сборочная линия. Однако при переходе на сборку кузова совершенно новой конструкции в этой системе требуется обновление всего лишь зажимной оснастки для приспособлений.
Таким образом, в принципе она представляет собой ГПС, хотя использование обычных зажимов практически несколько ограничивает ее гибкость и скорость работы. В идеале роботы следовало бы использовать и для закрепления кузовов. Это могут выполнить роботы несложной конструкции, работающие в прямоугольной системе координат и устанавливаемые либо на порталах, либо на рельсах. В таком случае комплекс ’’Робогейт” мог бы принимать кузов любой модели с любой стороны.
Следовательно, с помощью системы комплексов ’’Робогейт” можно было бы осуществлять сварку широкой номенклатуры моделей кузовов и их вариантов. Система могла бы функционировать круглосуточно и выпускать 300 тыс. изделий в год. По всей видимости, если объединить в ней более шести комплексов, станут практически целесообразными более короткие циклы сварки, что позволит увеличить объем выпуска. В качестве варианта на различных заводах можно установить две или три системы, добившись при этом производительности свыше 1 млн. автомобилей в год. С помощью комплексов можно было бы выпускать кузова совершенно новой конструкции, не прибегая при этом к замене инструментальной оснастки, что в дальнейшем привело бы к сокращению расходов на сварку.
Аналогичные принципы могут быть положены в основу и для узлов меньших размеров, а так как они обычно и дешевле, то капиталовложений потребуется меньше. Однако независимо от взятого за основу принципа создания автоматизированных производственных систем — комплекса Робогейт или замкнутого участка — в любом случае большая часть инструментальной оснастки применима для сварки не только какой- то конкретной панели, но и других панелей, которые будут изготовляться в дальнейшем. Это снизило бы реальные капитальные затраты, особенно в автомобильной промышленности и промышленности по изготовлению товаров широкого потребления, где профили панелей одинакового типа при внедрении новой модели изделия изменяются незначительно.
Более дешевым и простым вариантом по сравнению с системой комплексов ’’Робогейт” является система ячеек, принятая фирмой BMW (’’Байерише моторен верке”) для оконча- *8
тельной сварки кузовов некоторых моделей автомобилей. Кузова доставляют в любую из шести ячеек, обслуживаемую четырьмя роботами с циклом 4,5 мин. Поскольку при окончательной сварке кузовов к ним не требуется доставка дополнительных деталей, возникает хорошая основа для создания сварочных комплексов, работающих без вмешательства обслуживающего персонала.
Для обеспечения на базе этой идеи полностью безлюдного производства необходимо включить в нее некоторые характеристики, свойственные системе комплексов ’’Робогейт”. Минимальное количество рабочих позиций было бы вероятно рано двум: одна станция с точным позиционированием для прихватки, а другая — для окончательной сварки. Доставка и прихватка кузовов производилась бы на поддонах, установленных на робокарах. Для узлов меньших размеров можно воспользоваться тем же принципом, хотя вполне вероятно, что в настоящее время различные панели и узлы потребуется прихватывать с помощью оператора. Затем их передадут в промежуточные накопители для подачи на рабочие позиции в смену без обслуживающего персонала. Сборку некоторых панелей простой конструкции можно было бы производить непосредственно в ячейке с помощью соответствующего вспомогательного оборудования.
Разумеется, чтобы добиться успеха при внедрении любой ГПС, необходима дельновидная производственная стратегия. Известно, что в настоящее время в отношении заработной платы усиливаются явления инфляции, поэтому стоимость инструментального обеспечения в ГПС следует рассчитывать не за предполагаемый отчетный период, а за фактический. Такой подход особенно необходим в отношении сварки, где капиталовложения велики, а время их окупаемости может на первый взгляд показаться довольно длительным. Поэтому в расчете на длительную перспективу важно свести к минимуму расходы на изменения конструкции изделий. Именно здесь особенно очевидно проявляются преимущества ГПС.
ГЛАВА 13. ГИБКАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ СБОРКИ:НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Громадный потенциал в области гибкой автоматизации сборочных работ, несмотря на существующие проблемы, уже в настоящее время делает практически целесообразной установку небольших автоматических сборочных систем. При осуществлении гибкой автоматизации сборки, по-видимому, нереально стремиться к полной ликвидации обслуживающего персонала. Значительно реальнее допустить необходимость 232
присутствия в сборочном цехе нескольких операторов для обслуживания оборудования и заранее запланировать это присутствие. Основное преимущество такого подхода — возможность использования в этом случае оборудования сравнительно простой конструкции. Это позволяет уже сейчас в отдельных случаях добиться гибкой автоматизации сборки.
Понятие гибкой сборки заключает в себе использование промышленных роботов, хотя в некоторых случаях для ее осуществления достаточно установить манипуляторы, выполняющие операции типа ’’взять — поставить” с цикловым управлением. Тип применяемого оборудования зависит от масштабов сборочных операций, размеров собираемых узлов и требуемой степени гибкости. Цель большинства фирм, установивших до настоящего времени роботизированные сборочные системы, состояла в резком сокращении расходов и времени на замену инструментальной оснастки," выполняемую при переходе на другую модель собираемого изделия.
В автомобильной промышленности и производстве бытовой радиоэлектронной аппаратуры обычно действуют крупные фирмы, которые нередко меняют модель выпускаемого изделия спустя всего лишь 6 мес. после начала ее производства, тогда как иногда достаточно ограничиться только незначительными модификациями. Таким образом, преуспевающими становятся те фирмы, которые в состоянии быстро реагировать на изменения требований рынка. Наличие ГПС в этом, отношении представляет собой серьезный аргумент при выполнении любого технологического процесса.
На предприятиях этих крупных фирм, работающих в условиях крупносерийного производства, существует два варианта сборки — ручная и с применением гибкой автоматизации. В тех случаях, когда конструкцию изделия периодически изменяют, как указывалось выше, через каждые 6 мес гибкая автоматизация становится практически неэффективной. Дело здесь не столько в расходах на замену модели изделия, сколько во времени, требующемся на разработку, изготовление и испытание новой сборочной линии. Ручная сборка во многих случаях все еще продолжает обладать наибольшей гибкостью. Однако при цикле сборки 2 ... 10 с операторам трудно сохранять задаваемый этим циклом темп. Поэтому многие сборочные линии работают с меньшими скоростями, чем" требуется, что увеличивает расходы на сборку.
Существует два основных подхода к гибкой сборке. Первый подход заключается в том, что при сборке небольших деталей стремятся применять сборочное линии, в которые можно было бы включить жесткую автоматизацию. Однако нередко вместо нее применяют роботы и манипуляторы с операциями типа ’’взять-поставить”. Вторым подходом является ис-
пользование взамен этих линий сборочных комплексов, обслуживаемых робокарами (для крупных узлов), либо конвейерами или передающими устройствами. В обоих случаях, как и в ГПС для механической обработки, важнейшими вспомогательными компонентами являются робокары и многоярусные склады с автоматизированным складированием и поиском.
Интересным направлением развития ГПС, включающих ручную сборку, является использование сборочных комплексов на предприятиях таких автомобильных фирм, как ’’Фиат” и ’’Вольво”. Собираемый узел проходит там через сборочные позиции на робокаре. Эта система может быть автоматизирована поэтапно. Следует отметить, что автоматизировать не всю сборочную линию, а только несколько сборочных ячеек, возложив на операторов выполнение части сборочных работ, значительно легче, чем автоматизировать аналогичные работы в составе сборочной линии.
Так, в системе ZAM, разработанной фирмой ’’Фиат”, автоматическую сборку выполняют на четырех линиях, скомпонованных в виде отдельных участков, а десять других участков обслуживаются операторами. Всего в системе, управляемой от ЭВМ, применено 37 робокаров. При пуске предприятия в эксплуатацию роботизация сборки была сочтена неэффективной, но по мере развития ее технологии внедрение роботизированных сборочных комплексов в дальнейшем не составило бы большого труда. На неавтоматизированных сборочных линиях даже постепенное внедрение роботов было бы нерационально.
Хотя для доставки крупных узлов на сборочную линию или их транспортирования через сборочные позиции можно использовать робокары, автоматизация доставки небольших деталей к роботу или манипулятору с операциями типа ’’взять — поставить” представляет сложную проблему. В настоящее время ее решают с помощью чашечных вибробункеров и палет, но их количество, которое можно установить на одной сборочной позиции, ограничено. Вибробункера обычно приходится загружать вручную. Кроме того, собираемые детали следует правильно ориентировать для захвата и они не должны быть перепутаны. Другой крупной проблемой является отсутствие датчиков у роботов, что осложняет доставку деталей (рис. 13.1).
Оператору для сборки требуется обычно несколько небольших бункеров, в которых по отдельности содержатся собираемые детали, например винты, шайбы, уплотнительные кольца круглого сечения и роторы. Когда детали перемешаны, оператор приводит их в порядок: если одна из них заведомо неправильного размера, он ее удаляет; если у детали 234
Рис. 13.1. Чашечные вибробункеры, широко используемые в сборочных комплексах
плотная, но приемлемая посадка, он может выполнить сборку, если же деталь входит в сопряжение слишком легко, оператор ее бракует. Выпускаемые в настоящее время роботы делать этого не могут. Детали для них нужно подавать одну за другой в правильно ориентированном положении.
Однако и робот, если его снабдить датчиками усилий и технического зрения, сможет браковать деталь с заведомо неправильными характеристиками, удалит слишком легко входя-
235
щую в сопряжение деталь или такую, которая не входит в соединение, когда к ней прикладывают расчетное усилие. Более того он получает возможность сообщать требуемые данные в систему управления производством, указывая, например, какие детали вызвали трудности при сборке, а также тенденции, возникающие в процессе сборки. Операторы подобных фукцйй не выполняют. Сам факт отсутствия в настоящее время таких датчиков или их чересчур высокая стоимость не причина для того, чтобы откладывать внедрение сборочных роботов.
Результаты исследований показывают, что в большинстве сборочных операций 70 ... 80% работ включают установку деталей вертикально одна на другую, запрессовывание или ввод детали, либо затяжку винтов. По сообщению специалистов лаборатории ’’Чарльз Старк дрейпер лаборатори” (штат Массачусетс, США), 60% деталей при сборке вводят с одного направления, 20% — с противоположного, 10% — под прямыми углами к этим направлениям и 10% — с других направлений. Фактически детали насаживают одну на другую. Приведенные данные позволяют сделать вывод, что для выполнения сборки достаточно обычной механической руки с тремя степенями подвижности. К типовым операциям при сборке относят: ввод и фиксацию (затяжку) крепежных изделий или взрывных заклепок, запрессовку в корпуса подшипников, пальцев и уплотнений, установку небольших корпусов, роторов и статоров, сборку шайб и контактов, нанесение защитных покрытий и смазочных материалов, а также установку электронных компонентов в печатные платы.
Среди типичных изделий, получаемых путем сборки, можно назвать бытовую радиоэлектронную аппаратуру и автомобильные узлы, заменяемые новыми каждые несколько лет, а также такие изделия, как коробки скоростей, электродвигатели и генераторы переменного тока, изготовление множества модификаций которых может потребоваться на одной и той же сборочной линии. К типичным можно отнести и большинство изделий цилиндрической формы.
В настоящее время среди роботов, предназначенных непосредственно для сборки, наибольшую известность приобрели оснащенный шарнирной в вертикальной плоскости рукой робот типа Unimate-Puma, роботы, работающие в прямоугольной системе координат — типа Pragma фирмы DEA и типа Sigma фирмы ’’Оливетти”, робот фирмы ’’Фанук”, работающий в цилиндрической системе координат и робот типа Scara с рукой, шарнирной в горизонтальной плоскости. В числе основных сборочных операций, обычно осуществляемых роботами,— подъем собираемой детали в вертикальном направлении, ее горизонтальное перемещение и затем опускание в том же нап- 236
равлении для ввода этой детали в другую. Такие операции следует выполнять быстро и плавно.
Таким образом, лучше всего подходит для сборки робот, способный непосредственно обеспечить перемещения в горизонтальной и вертикальной плоскостях и осуществить в этих плоскостях необходимый нажим. Кроме того, у такого робота должна быть достаточно обширная рабочая зона, а сам он должен иметь предельно малые размеры. Еще одно требование к сборочному роботу — обеспечение податливости, т.е. способности к самоцентрированию. Если, например, палец имеет незначительное смещение относительно центра отверстия, в которое он вводится, он автоматически центрируется. Разумеется, эту податливость можно целиком заложить в захватывающее устройство робота, но ее определенную величину следует все же включить и в сам робот. Во всяком случае, результаты исследований показывают, что для нероботизированной сборки достаточно небольшой податливости.
До настоящего времени большая часть роботизированной сборки выполняется роботами, не оснащенными системами технического зрения или схватами сложной конструкции с встроенными устройствами обеспечения податливости. И все же такие роботы, как, например, Pragma-АЗООО фирмы DEA, успешно используются для сборки поперечных рулевых тяг, держателей форсунок дизельных двигателей, гидравлических амортизаторов и насосов. Для выполнения одного комплекса сборочных операций роботы иногда снабжают несколькими руками (до четырех), причем у каждой руки может быть три основные степени подвижности и две дополнительные (по заказу) на кисти.
Для сборки поперечной рулевой тяги, куда входят в основном корпус, шайба, две полусферические чашки и тяга со сферическими концами, применяют двурукий робот, причем каждая его рука обладает тремя степенями подвижности и возможностью вращения кисти. Обе руки установлены на салазках рядом с рабочим столом. Кроме сборки в их функцию входит смазывание полусферических чашек пластичным смазочным материалом, загрузка и разгрузка пресса, а также выполнение функциональных испытаний после завершения сборки рулевой тяги. Весь этот цикл занимает 14 с.
В качестве другого примера роботизации сборки можно назвать сборку серии клапанов, детали которых вводят в различные типы головок блоков цилиндров двигателей со скоростью 150 шт. в час. Эту работу выполняют также и специальные сборочные машины. Для головок блоков цилиндров и сборочных комплектов предусмотрены магнитные коды, считываемые роботами на каждой позиции. Добиться максимальной гибкости сборки можно, выполнив каждую роботизиро-
ванную сборочную станцию в виде отдельного участка с транспортированием собираемых деталей между ними на робокарах. Головки могут перемещаться по сборочной линии в произвольном порядке. При использовании автоматических сборочных машин, не обслуживаемых роботами, для сборки каждой головки потребовалась бы отдельная линия. Во многих фирмах необходимость выпуска одной-двух из пятишести существующих модификаций головок могла послужить основанием для автоматизации сборки. Внедрив роботизированную сборочную линию, можно добиться не только автоматизации сборки всех головок, но и выполнения этой операции с высокой скоростью.
Немало видов сборочных работ выполняют также роботами типа Scara. У этих роботов рука оснащена двумя шарнирами, ее кисть может поворачиваться, а установленный в ней инструмент имеет возможность перемещения в вертикальном направлении. У некоторых моделей робота в этом направлении может перемещаться и его рука на стойке. Кроме того, роботу придано встроенное устройство, повышающее податливость. До тех пор, пока вводимая в отверстие деталь, например палец, входит в контакт с его фаской, а не с плоской поверхностью торца, для ее ввода препятствий не возникнет. Таким образом, концентричность оси пальца относительно оси отверстия в детали должна составлять примерно 0,5 мм. Стоимость роботов типа Scara в зависимости от размеров составляет в Японии 9—12 тыс. ф.ст. Роботу при его использовании для сборки дверей на ввод в дверь одного винта требуется 3 с. Это время распределяется следующим образом: на перемещение винта в требуемую позицию 0,5 с, на передвижение вверх и вниз 1 с и на завинчивание винта 1,5 с.
Робот типа Scara модели Puha на фирме ”Пентель” используют для выполнения довольно трудной операции. Он вводит небольшой конический резиновый литой вкладыш в механический карандаш для фиксирования грифеля. Поскольку этот вкладыш невелик (его высота равна всего 2 мм), было принято решение, чтобы робот захватывал его непосредственно из листа резины, в котором этот вкладыш отформован.
Робот установлен на сборочном участке, а вкладыши подают в листах на вращающийся стол сборочной машины, причем эти листы поступают с одной стороны машины по конвейеру. Металлические фиксаторы также подают на вращающийся стол сборочной машины, но из чашечного вибробункера. Перед подачей фиксатора к роботу в машине выполняют некоторые доводочные операции. Цикл сборки вкладыша составляет 2 с.
Примерно 50 роботов модели Сате собственной конструкции установлено фирмой ’’Ямаха” на сборочных линиях, соз- 238
данных на ее предприятиях. Нередко роботы располагают между рабочими местами операторов. Их используют при сборке с циклом в среднем 25 с двигателей и коробок передач мопедов, в частности для выполнения таких работ, как установка опор, нанесение слоя уплотнительного материала на плоскости сложной конфигурации, ввод и затяжка винтов. Один из роботов применяют для ввода резиновых виброизолирующих прокладок между ребрами головки блока цилиндров.
Эти операции достаточно монотонны, поэтому их роботизация вполне оправдана, но в некоторых случаях роботы используют и для выполнения значительно более широкого диапазона операций. Так, несколькими фирмами в настоящее время внедрены роботы для установки на печатных платах достаточно крупных электронных компонентов. Небольшие компоненты, например, резисторы и конденсаторы обычно вставляют на оснащенных ЧПУ машинах для сборки печатных плат, которые сами обладают достаточной гибкостью, поэтому добавление к ним роботизированных линий сборки позволяет повысить до 90% уровень автоматизации на этапе получения подсборок электронных узлов.
Однако возможности оснащенных ЧПУ машин для сборки печатных плат ограничены в отношении как размеров электронных компонентов, которыми можно манипулировать на машинах, так и шага их выводов. У небольших компонентов обычно имеется пара выводов, проходящих через отверстия в печатных платах и затем загибаемых в нужном положении. Для решения указанных проблем фирма “Хитати” разработала сборочную машину с оптическим датчиком, отслеживающим положение выводов. Сборка печатных плат на ней проводится в несколько этапов. На первом этапе два выступающих вывода обрезают таким образом, чтобы один из них получился больше другого, на втором —- оптическим методом измеряют шаг выводов у компонента. Затем рабочий стол машины с печатной платой перемещают в такое положение, чтобы ось отверстия в плате совместилась с длинным выводом компонента, после чего этот вывод частично вводят в отверстие. Вслед за этим стол автоматически перемещают в положение, требуемое для введения в отверстие на плате второго короткого вывода.
На этой машине можно устанавливать в печатные платы компоненты размерами до 16X20X26 мм с шагом выводов 5 ... 25,4 мм. В результате значительно увеличивается гибкость установки небольших компонентов. Таким образом, оснастив машину роботами для установки достаточно крупных компонентов, можно осуществить автоматическую сборку печатных плат и тем самым обеспечить прямой путь к созданию ГПС для сборки печатных плат.
Начало этому положила фирма ’’Тосиба”, разработавшая роботизированную линию для сборки печатных плат. С помощью девяти роботов с циклом сборки, равным 20 с, на этой линии устанавливают компоненты на 1000 печатных плат в день, достигая при этом коэффициента загрузки оборудования 7 5%. В линию входит конвейер с непрерывно движущейся лентой, на которой установлены печатные платы, расположенные в один ряд роботы и устройства для подачи компонентов. В качестве подающих устройств для компонентов различных размеров и конфигураций на большинстве рабочих позиций используют вибробункера, но на некоторых, например для распределения интегральных схем, применяют поддоны и кассетные питатели. В число электронных компонентов, устанавливаемых на печатных платах, входят крупные конденсаторы, трансформаторы, клеммы, реостаты и интегральные схемы. Емкость каждого устройства для подачи компонентов составляет примерно 1000 шт. Ее достаточно для загрузки агрегата в течение рабочей смены без вмешательства обслуживающего персонала.
Для захвата различных компонентов каждый из девяти роботов линии оснащен специальными схватами. Скорость установки компонентов повышается за счет наличия у большинства роботов двух-трех схватов на одной руке. Схваты выдвигаются из специального барабана, вращающегося относительно горизонтальной оси и поочередно подающего эти захватывающие устройства в повернутом до вертикального положении для обеспечения вставки компонетов. Робот последовательно выбирает компоненты, находящиеся в его схватах, и устанавливает их на печатную плату, т.е. выполняет с компонентами операции типа ”взять-поставить”.
Для сборки точность имеет важное значение. В частности, для сборки печатных плат она находится в пределах ±0,5 мм. Точность позиционирования отверстий в платах достигает ± 0,1 мм. По мнению специалистов фирмы ’Тосиба”, такой уровень точности гарантирует правильную установку 99,9% компонентов. Важно также, чтобы робот был встроен в сборочный комплекс с необходимым вспомогательным оборудованием. В этом случае устройства для подачи компонентов располагают, сзади робота, имеющего возможность полного поворота для захвата собираемых компонентов. Роботы устанавливают на столе, несущем конвейеры и зажимы. Управляющие устройства находятся перед сборочной линией (рис. 13.2).
Фирмой ’Тосиба” установлена также роботизированная линия для выполнения большей части операций при сборке бытовых вентиляторов. В эту линию, кроме 11 роботов входят нес- колько устройств жесткой автоматизации, таких, как поворотная станция. Линия обслуживается несколькими операто- 240
г
Рис. 13.2. Роботизированный сборочный комплекс:
1 — стол; 2 — запрессовочное устройство;- 3 — захватывающее устройство для печатной платы; 4 — робот; 5 — устройство управления роботом;
6 — подаватель деталей; 7 — устройство управления системами; 8 — главная ЭВМ; 9 — устройство циклового управления; 10 — устройство управления перемещением стола по осям координат Х-У
рами и оснащена конвейером. Собираемый узел перемещается по этому конвейеру установленным на палете, которая останавливается и точно фиксируется на каждой рабочей позиции. Роботы выполняют следующие операции: установку пластмассовых колпачков на валу вентилятора, подгибание нескольких ножек на стальной прессованной декоративной панели, установку опорной трубы, таймера и переключателя, а также других деталей и узлов, которые могут быть непосредственно установлены в нужное положение.
Установку переключателя нужно проводить в два этапа. На первом этапе робот поднимает переключатель и переносит его в сборочное приспособление для точного позиционирования, а на втором он же снова поднимает позиционированный переключатель и напрессовывает его на ось. Здесь для разборки проводов и укладки их концов на разделитель нужен оператор. Однако робот в дальнейшем получает возможность захвата этих концов по отдельности и подачи на пайку. Он оснащен захватом и паяльником и при пайке держит провода.
На одной линии собирают вентиляторы 24 моделей. Для перехода со сборки одной модели на сборку другой требуется 3 мин. Уменьшив количество обслуживающего персонала ли-
Рис. 13.3. Участок роботизированной сборки:
1 — позиция 1: сверление отверстий a, b, с, d; 2 — позиция 2: развертывание отверстий a, b, с, d; 3 — позиция 3: контроль размеров шариков, запрессовка подшипника
нии с 29 до 5 человек, на фирме ’’Тосиба” добились.удвоения прибыли, получаемой при изготовлении вентиляторов. Следует отметить, что линия работает круглосуточно и является хорошим примером системы, в которой для выполнения наиболее сложных операций требуются люди. Их помощь необходима также для обеспечения правильной установки деталей, захватываемых роботом (рис. 13.3).
Линия фирмы ’’Хитати” для сборки шасси видеомагнитофонов обладает меньшей гибкостью, чем линия фирмы ’’Тосиба”. Дело в том, что в этой линии, обслуживаемой девятью операторами, всего лишь 11 роботов и 52 манипулятора, выполняющих операции типа ’’взять — поставить”. Операторы выполняют на ней наиболее сложные и трудоемкие работы, например, устанавливают в видеомагнитофоне приводной ремень на два шкива. На манипуляторы возложено проведение простых и повторяющихся операций. Однако Сравнительно небольшие расходы на перестройку манипуляторов для выпуска новых моделей видеомагнитофонов устраивают фирму ’’Хитати”, поэтому она мирится с недостаточной гибкостью линии.
Недорогие (стоимостью около 11 тыс. ф.ст.) роботы типа Scara-A3020 с тремя степенями подвижности используют для установки на шасси видеомагнитофонов таких крупных узлов и деталей, как главный привод в сборе, электродвигатель, зубчатые колеса, маховик, фрикционная муфта и ручка.
У линии несколько интересных особенностей. Так, робот устанавливает собираемый узел на точно расположенные базовые опоры (например, штифты) или в вырез на пластмассовой отливке. Кроме того, на одной из рабочих позиций он сбрасывает маховик на вал с высоты примерно 10 мм. Диаметр маховика около 70 мм, а зазор между отверстием в нем (диаметром 3 мм) и валом всего 10 мкм. Доказано, что такой метод сборки маховика с валом является наилучшим.
Хотя характеристики этой линии не совпадают с большинством характеристик, свойственных ГПС, специалисты фирмы ’’Хитати” утверждают, что ввиду возможности ее использования для сборки будущих моделей видеомагнитофонов, она представляет собой гибкую производственную систему. Кроме того, линия в определенной степени гибкая, а загрузочно-разгрузочные и транспортные операции на ней с собираемыми деталями и узлами автоматизированы. Для доставки палет из подготовительного участка в начало линии и передачи палет с деталями из многоярусного склада с автоматизированным складированием и поиском на каждую сборочную позицию служат робокары. Таким образом, по мере поступления более совершенного оборудования возможна модернизация линии. Во всяком случае, уже в настоящее время фирма добилась резкого повышения ее производительности: вместо 170 человек, обслуживавших линию при ручной сборке, ее теперь обслуживают лишь 33 оператора, а цикл сборки сократился с 90 до 5,5 с (рис. 13.4).
Фирма ”Тойода” сообщает, что одна из спроектированных ею сборочных машин фактически является гибким роботизированным сборочным участком, пригодным для сборки большинства небольших компонентов. В него входят три робота. Фирма выпустила также специальную сборочную линию, оснащенную 15 роботами и включающую сборочную машину. В эту линию входит также вспомогательное оборудование, в том числе конвейеры, гайковерты, оснащенные ЧПУ типа CNC, пять вибробункеров и пресс.
Впервые предусмотрено создание системы сборки клапанов регулирования потока. С одного конца корпуса клапана производится сборка пружины, плунжера, шарика и фильтра. Таким образом, все сборочные операции можно выполнять при вертикальном положении корпуса. После окончания сборки клапан передается роботом на испытательный стенд, где измеряют перепад давления и пульсации потока. Главный кон-
Рис. 13.4. Один из комплексов роботизированной линии сборки видеомагнитофонов фирмы ’’Хитати":
1 — палета с шасси; 2 — робот; 3 — управляющее устройство робота;
4 — пустая палета; 5 — палета с деталями
вейер линии (шагового типа) периодически передает на нее палеты, возвращая их под линией. В каждой палете предусмотрено по четыре выреза для установки на ней двух корпусов и двух фильтров с винтами, что позволяет получать сравнительно длительный цикл сборки — 40 с. Существует возможность одновременной сборки двух узлов. Во многих случаях ее используют для повышения производительности робота. Кроме того, перед главным конвейером устанавливают другой конвейер, служащий для контейнерной подачи собираемых компонентов.
Представляет интерес наличие у роботов, которыми оснащена линия, сдвоенных двухпалых схватов, свисающих с концов их обеих рук. Эти руки выполнены так, что имеют колено, с тем чтобы на каждом из них имелся нажимной буртик, которым при необходимости приводится в действие пусковая кнопка. Робот, оснащенный такими схватами, способен реализовать за счет воздействия нажимных буртиков цикл срабатывания курковых устройств и отпускания захваченных компонентов. Эти компоненты либо затем поднимает схват, либо они падают непосредственно в другой компонент, который несет это захватывающее устройство. Такая система исключает необходимость применения раздельных расцепляющих устройств, что упрощает весь механизм робота и управляющие устройства.
Робот берет и устанавливает собираемый фильтр с приданными ему винтами на палету, затем захватывает корпуса и обеспечивает срабатывание курковых устройств, после чего в корпуса клапанов последовательно падают пружины, плунжеры и шарики. Этот же робот устанавливает собранные узлы на палеты. Второй робот отбирает и вставляет шайбы, а третий передает клапаны на испытательный стенд.
На фирме ’’Тойода” установлена еще одна, значительно более крупная линия, предназначенная для сборки лопастных насосов. Она оснащена 15 роботами. В ее состав входит также машина для сборки лопастей, рассчитанная на десять рабочих позиций. На трех позициях предусмотрена установка одного или более роботов, на двух установлены полупроводниковые телекамеры типа ’’Отомзтикс” (Automatics), используемые в качестве датчиков, еще на одной позиции проверяют положение маркировки, выбитой на кулачковой шайбе, перемещаемой затем в соответствии с результатами проверки, а на другой считывают заводское клеймо.
На этой линии собирают насосы пяти типоразмеров. Основное различие между ними состоит в конфигурации корпуса. Цикл работы линии равен 45 с. Производительность при односменном режиме и коэффициенте использования оборудования 80% составляет 10 тыс. насосов в месяц.
Корпуса подаются на линию в контейнерах, рассчитанных на восемь корпусов. Здесь их устанавливают в палетах на точно расположенные фиксаторы. В палете находятся также три круглых диска. Для выполнения этой операции роботу нужно иметь два схвата.
Наиболее сложной по выполняемым операциям является вторая сборочная станция. С одной ее стороны за пределами линии установлены два робота типа Scara разных размеров, а с другой расположен робот с шарниром в вертикальной плоскости. Детали подают на позицию с помощью чашечных вибробункеров. Однако еще до этого робот типа Scara большего размера забирает с линии корпус, переворачивает его и устанавливает на специальном приспособлении под сборочный пресс. Затем робот типа Scara меньшего размера забирает своим разжимным схватом небольшое уплотнительное кольцо круглого сечения и помещает его во впадину корпуса. Следующими устанавливают седло клапана, контролирующего поток, и пружинный кольцевой замок. После этого робот с шарниром в вертикальной плоскости поднимает масляное уплотнительное кольцо диаметром 30 мм и вводит его в корпус. С помощью пресса это кольцо напрессовывают до его упора в буртик.
После завершения этих операций больший робот типа Scara снова забирает корпус на палету, перенося его собранной сто-
роной вверх, что позволяет роботу с другой стороны линии ввести уплотнительное кольцо круглого сечения в выточку диска, который установлен на палете. Для доведения этого кольца по периферии диска до выточки у робота имеется пятипалый схват.
Установка валиков и штифтов на следующей позиции производится роботом, обладающим требуемой для этой операции высокой точностью и работающим в прямоугольной системе координат. Он свешивается с небольшой четырехстоечной замкнутой конструкции. На палете устанавливают по 72 валика, а штифты подают с помощью вибробункеров. На этой линии робот устанавливает также пружинную шайбу с помощью дополнительного цилиндрического схвата. На седьмой позиции, которая, так же как и вторая, выполнена автономной, в наклонное отверстие корпуса устанавливают втулку, уплотнительное кольцо круглого сечения, болт и шайбу.
Применение принципа создания автономных сборочных позиций, которые фактически являются сборочными комплексами, позволяет экономить производственную площадь и в полной мере использовать все возможности робота. Кроме того, при замене конструкции изделия или введении в нее дополнительных изменений переналадку приходится проводить всего лишь в одном-двух комплексах. Капиталовложения фирмы ’’Тойода^’ в обе описанные линии составили около" 1,2 млн. ф.ст. В результате количество обслуживающего персонала в смену сократилось с 15 до 2 человек, а фактическое время окупаемости составило немногим более четырех лет. Следовательно, работа таких линий всего лишь в две смены не всегда оправдывается. Поскольку процесс сборки, за исключением подачи деталей, полностью автоматизирован, в такой системе можно предусмотреть организацию работы третьей смены без участия обслуживающего персонала.
На своем предприятии в графстве Дурхем фирма ’’Флимо” (Великобритания) организовала по принципам, составляющим основу ГПС, систему сборочных комплексов для сборки газонокосилок. Цель такой организации —добиться трехсменной работы комплексов. В собираемом узле девять компонентов, включая электродвигатель, вентилятор, нож и пластмассовые кожухи. Вначале проблема состояла в односменной работе сборочного цеха несмотря на трехсменную работу машин для литья под давлением. Это неизбежно приводило к созданию неоправданно большого запаса отливок, на перемещение которых из складов и в склады требовалось много времени.
Проблему решили путем создания двух сборочных комплексов, последовательно расположенных один за другим. Эти комплексы предназначены для сборки в три смены 1,5 тыс. косилок. Сборка компонентов в каждом комплексе произ- 246
водится примерно за 45 с. Готовые отливки кожухов из машин для литья под давлением выгружаются роботом и затем по конвейерам поступают на комплексы. Другой робот (модели Т3 фирмы ’’Цинциннати Милакрон”) передает эти кожухи в ячейку, а также загружает электродвигатели в установочное приспособление. После сборки он устанавливает на поддоны косилки, имеющие коробчатую конфигурацию. Одна из причин выбора для этой операции робота модели Т3 связана с его возможностью штабелировать изделия на высоте до 2 м.
Электродвигатель поступает в комплекс по тому же конвейеру, по которому из него выходит собранный узел. Другие компоненты подаются вибробункерами или магазинами. Робот модели ’’Юнимейт Пума-500” устанавливает собранный узел на верхнюю часть электродвигателя и с помощью отвертки затягивает крепежные винты. Ненужную в данный момент отвертку он оставляет на сборочном стенде (рис. 13.5).
Система сборочных комплексов получила распространение и на японской фирме ’’Сува Сейкося”, выпускающей часы и различное электронное оборудование. Здесь для сборки используют роботы типа Scara собственного производства. Представляет интерес компоновка комплексов, применяемых на фирме. В одном из них робот применяют для установки стрелок часов. Заготовки для стрелок поступают из вибробункеров, расположенных с одной стороны робота, а палеты с циферблатами поступают с другой его стороны. Сама сборочная позиция находится непосредственно перед роботом. Вдоль сборочного накопителя палет проходят два конвейера для собранных узлов: один — для годных, а другой — для бракованных. Это позволяет использовать все возможности робота. Чтобы проверить, все ли стрелки собраны, применяют оптическое контрольное устройство. Луч света по оптоволоконному кабелю поступает в отверстия для установки стрелок. Присутствие или отсутствие стрелок фиксируется фотоэлементом (рис. 13.6).
В другом сборочном комплексе робот используют для установки на небольшую печатную плату 30 малых кристаллов интегральных схем. Платы поступают в палетах. В это же время робот захватывает сразу до 30 бобин с ленточными носителями кристаллов. Бобину, представляющую собой свернутую ленту, индексируют до каждого цикла сборки с помощью звездочки, входящей в перфорации вдоль ленты (рис. 13.7). Этот принцип применим при сборке большого количества небольших плоских деталей в том случае, если собираемые компоненты изготовляют методом, при котором их можно автоматически устанавливать на ленту, свертываемую в бобину. Хотя описанный принцип обладает большими, чем кажется на первый взгляд возможностями, тем не менее элементов
Рис. 13.6. Элементы сборочного комплекса фирмы ’’Сува Сейкося”, расположенные таким образом, чтобы обеспечить полное использование возможностей робота:1 ~ рабочая зона; 2 — вибробункеры; 3 — сборочный стол с детектором; 4 — палета с собираемыми циферблатами;5 — палета для брака; 6 — конвейер; 7 — палета для собранных циферблатовРис. 13.6. Элементы сборочного комплекса фирмы ’’Сува Сейкося”, расположенные таким образом, чтобы обеспечить полное использование возможностей робота:1 ~ рабочая зона; 2 — вибробункеры; 3 — сборочный стол с детектором; 4 — палета с собираемыми циферблатами;5 — палета для брака; 6 — конвейер; 7 — палета для собранных циферблатовРис. 13.5. В сборочном комплексе фирмы ”Флимо”: робот устанавливает различные детали и работает отверткойРис. 13.5. В сборочном комплексе фирмы ”Флимо”: робот устанавливает различные детали и работает отверткой
Рис. 13.6. Элементы сборочного комплекса фирмы ’’Сува Сейкося”, расположенные таким образом, чтобы обеспечить полное использование возможностей робота:
1 ~ рабочая зона; 2 — вибробункеры; 3 — сборочный стол с детектором; 4 — палета с собираемыми циферблатами;
5 — палета для брака; 6 — конвейер; 7 — палета для собранных циферблатов
Рис. 13.6. Элементы сборочного комплекса фирмы ’’Сува Сейкося”, расположенные таким образом, чтобы обеспечить полное использование возможностей робота:
1 ~ рабочая зона; 2 — вибробункеры; 3 — сборочный стол с детектором; 4 — палета с собираемыми циферблатами;
5 — палета для брака; 6 — конвейер; 7 — палета для собранных циферблатов
Рис. 13.5. В сборочном комплексе фирмы ”Флимо”: робот устанавливает различные детали и работает отверткой
Рис. 13.5. В сборочном комплексе фирмы ”Флимо”: робот устанавливает различные детали и работает отверткой
Рис. 13.7. Роботизированный сборочный комплекс с подачей деталей на ленте, смотанной в ролик
ГПС в нем не заложено. И, несмотря на наличие необходимого оборудования, в этом случае подлинная ГПС для сборки еще не создана.
Безусловно, представляет интерес описанная в гл. 9 система сборочных комплексов фирмы ’’Фанук”, в которой группа комплексов связана между собой короткими конвейерами, а компоненты на сборку подаются робокарами. К сожалению, ввиду того, что 30% сборочных работ производится вручную, комплексы в настоящее время работают в одну смену, но они указывают направление дальнейшего развития. Объединив между собой роботы и робокары для подачи деталей на сборку, можно быть твердо уверенным, что именно в этом направлении пролегает путь к ГПС для сборки. Вместе с тем приведенные примеры показывают необходимость установки на некоторых комплексах роботов, которые способны выполнять определенные операции, требующие ловкости и высокой чувствительности. Нужны также более совершенные конструкции устройств для подачи деталей.
Недавние исследования, проведенные в ФРГ, показали, что неисправности в вибробункерах — наиболее частая причина перерывов в работе автоматического сборочного оборудования. Эти перерывы могут случаться чуть ли не каждую минуту. Разумеется, можно усовершенствовать работу вибробункеров, например путем подключения к ним системы автоматической очистки, включающей датчик и механическую руку или пневматическое устройство, однако наиболее эффективным средст-
вом является разработка и внедрение новых конструкций устройств подачи деталей.
С этой целью применяют различные конструктивные решения. Фирмой ’’Ямаха”, например, для подачи к роботам различных деталей разработаны питатели башенного типа, включающие до шести круглых бункеров. Каждый бункер в этом случае предназначен для подачи одной конкретной детали. На его проектирование и изготовление требуется в среднем 50 человеко-часов. Другим решением является использование оптических датчиков для проверки правильности ориентирования деталей. Такие системы разрабатываются технологической исследовательской ассоциацией PERA (Production Engineering Research Association), исследовательской организацией ’’Шинко инджиниринг ресерч”, университетом в г. Гулле (Великобритания) и рядом других организаций.
Система, спроектированная Гульским университетом, введена в эксплуатацию фирмой ’’Ариэль отомэтик фидерз”. От источника лазерного излучения малой мощности на компонент, находящийся в проверяемой зоне, направляют луч света. Отраженное от этого компонента рассеянное световое излучение принимается электрооптическим датчиком. Поступающий от него сигнал обрабатывают в электронном устройстве, получая как бы отдельные данные о правильности ориентирования детали. Было установлено, что эти данные для коротких винтов М4 со шлицевой головкой и с головками другого типа (даже при их подаче со скоростью 100 винтов в минуту) полностью различаются между собой. Для возвращения в бункер неправильно сориентированных деталей применяют воздушную струю.
Преимущество такой системы — в возможности ее использования для любой детали соответствующего размера без применения специально профилированных направляющих. Это делает ее не только сравнимой по стоимости с обычными бункерами, но и обеспечивает повышение коэффициента использования роботизированных сборочных комплексов.
В настоящее время разрабатывают различные конструкции линейных питателей. Один из них выполнен с двумя короткими ленточными конвейерами. В первом конвейере лента перемещается под небольшим углом вверх и подает детали вперед до угловой плиты. Эта плита изменяет направление подачи деталей под прямым углом, в результате чего они падают на второй конвейер, перемещающийся в направлении, противоположном направлению перемещения первого. Угловая плита и разделитель создают определенную последовательность подачи деталей до их поступления в лоток. Эта система была разработана как часть описанной в гл. 12 системы APAS для замены вибробункеров, не обладавших, как оказалось, доста- 250
Рис. 13.8. Применение оптических датчиков в роботизированном комп' лексе для сборки дверей
точной гибкостью. Безусловно, существуют и другие решения проблемы подачи деталей на сборку.
Однако для функционирования сборочных комплексов без участия обслуживающего персонала в первую очередь необходимы роботы второго поколения, оснащенные датчиками различного типа. Во-первых, для обеспечения гарантии правильности функционирования робота нужны видеодатчики. Во-вторых, робот должен забирать детали не только с ленточных конвейеров (а это определяет возможность позиционирования и ориентирования детали в произвольном порядке), но и с других мест, что позволяет внедрить гибкие сборочные системы, применимые для широкого диапазона собираемых деталей. При этом совершенно не требуется установка оптических систем на самом роботе. Телекамеры можно расположить непосредственно над сборочным комплексом и применять их для распознавания определенных эталонных изображений по- разному в каждом случае, используя полученные от них данные и указывая, например роботу, каким образом захватить деталь, или определяя для него центр отверстия или валика (рис. 13.8).
Для манипулирования электрическими проводами необходимо применение различных оптических датчиков, позволяющих позиционировать концы проводов в трех плоскостях. Однако во многих случаях эту проблему можно решить также путем изменения конструкции детали или схемы расположения проводов. Возможно, например, использование группы проводов в виде узких гибких печатных плат. У роботов нередко требуется применить сложные системы технического зрения, а также схваты с тактильными датчиками, например, для взятия детали любого размера (разумеется, в определенных пределах), ощущения контакта с ней и ее захвата с зара-
нее заданным усилием. В качестве альтернативы, по крайней мере на сегодняшний день, можно использовать сменные захватывающие устройства.
Другими словами, хотя применение роботов второго поколения продвинет роботизацию сборки далеко вперед, уже сейчас имеются средства, обеспечивающие переналадку сборочных комплексов. На фирме, производящей механическую обработку, обработку листового металла и сборку, гибкие производственные системы должны разрабатываться для применения во всех упомянутых выше технологических процессах, но преимущество следует отдавать экспериментальным сборочным комплексам.
ГЛАВА 14. ГПС В ЦЕХАХ ФОРМОВАНИЯ ПЛАСТМАСС,ЛИТЕЙНЫХ И КУЗНЕЧНО-ПРЕССОВЫХ
На первый взгляд кажется, что в трудных условиях окружающей среды, характерных для кузнечно-прессовых и литейных цехов, не место для ГПС. Однако именно эти условия делают внедрение ГПС особо желательным для осуществления упомянутых выше технологических процессов. По мере продвижения к высокоразвитому обществу все труднее становится подбирать и удерживать обслуживающий персонал в кузнечнопрессовых, литейных цехах и на участках литья алюминия под давлением. В то же время на участках литья пластмасс под давлением существуют не только приемлемые условия труда, но и потенциальные возможности внедрения производства с ограниченным вмешательством обслуживающего персонала. Более того, оборудование, обеспечивающее продвижение к созданию ГПС, выпускается и для чугунолитейных цехов.
За немногими исключениями, все эти цехи и участки, где получают исходные материалы для дальнейшей обработки, работают в условиях серийного производства, поэтому обеспечение быстрой смены инструментов играет для них исключительно важную роль. Обычно ручная смена пресс-форм, например, связана с большими простоями и требует немалого количества обслуживающего персонала. В чугуно- и сталелитейных цехах необходим значительный запас стержней для быстрого перехода с одного типа отливки на другой и сведения к минимуму простоев при смене моделей. При литье металлов и пластмасс под давлением много времени теряется на прогрев пресс-форм после их установки. Все упомянутые недостатки можно свести к минимуму в результате реализации принципов, заложенных в основу ГПС.
В литейных цехах, как и при сборке, гибкость достигается за счет больших количества обслуживающего персонала и 252
объема материально-производственных запасов, в данном случае моделей и стержней. В течение длительного времени автоматизацию рассматривали как средство искоренения этих недостатков, но большая часть оборудования, предлагавшегося для решения указанных проблем, не обладала достаточной способностью для ’’выживания” в столь тяжелых условиях. Не более удачными были и первые попытки механизации заливки расплава на участках литья металлов под давлением. В обеих этих областях все еще существуют серьезные проблемы. Однако появление литейных машин с автоматической сменой моделей при литье чугуна, прессов для холодной объемной штамповки, имеющих возможность перехода с выпуска одного типоразмера изделия на выпуск другого, а также устройств автоматической смены пресс-форм в машинах для литья под давлением свидетельствует о создании качественно нового оборудования, способного стать элементом ГПС, которые предстоит разрабатывать в будущем.
В литейном и кузнечно-прессовом производствах, как и во многих других, проблема состоит в сложности перекомпоновки однажды установленных основных элементов оборудования, а расширение выпуска без увеличения производственных площадей приводит к снижению эффективности производственных маршрутов. В этих производствах установилась практика ориентирования на квалификацию рабочего. Системы транспортного потока редко оптимизируются для всех аспектов технологического процесса. В литейных цехах, например, нередко отработана система транспортирования отливок, а такие важные элементы транспортного потока, как доставка стержней и повторное использование формовочной смеси, могут оставаться на втором плане. В результате эти операции осуществляют по усложненным маршрутам с выполнением большого объема загрузочно-разгрузочных и транспортных работ.
Освоив принципы, лежащие в основе ГПС, администрация получает возможность рассмотрения всех этих технологических процессов с единой точки зрения — рационализации производства. Даже если обеспечение очень высокого коэффициента использования оборудования и осуществление некоторых операций, характерных для безлюдного производства, окажется практически нереальным, то и в этом случае полученный выигрыш будет достаточно большим. Главное — это усвоить принципы, лежащие в основе ГПС. Одним из них является принцип непрерывного управления потоком материалов и выполнением производственных процессов при одновременном снижении уровня материальных запасов и повышении уровня автоматизации загрузочно-разгрузочных и транспортных операций. Из этого следует, в частности, что штампы, формы и
модели нужно хранить в многоярусных складах с автоматическим складированием и поиском, а доступ к ним обеспечивать посредством различных типов робокаров. Расплавленный металл или нагретые для ковки заготовки также следует перевозить с помощью робокаров, постоянно имея в виду важнейшую цель — автоматизацию смены штампов, форм или моделей.
Крупные производители оборудования, не связанные с выполнением на своих предприятиях только одного технологического процесса, обладают немаловажным преимуществом — они могут использовать те процессы, которые обладают наибольшими возможностями гибкой автоматизации, например, такие, как холодная штамповка или гибка для получения профилей несложной конфигурации, формовка с механизированной набивкой литейных форм, литье под низким и высоким давлением. Однако капиталовложения на переоборудование работающего литейного цеха для осуществления другого технологического процесса настолько велики, что делают это переоборудование довольно трудноосуществимым. В этом одна из причин того, почему некоторые крупные фирмы стремятся строить литейные и кузнечно-прессовые цехи по возможности меньших размеров, предназначая их для выпуска определенных групп изделий. Наличие, например, на большой автомобильной фирме только одного, хотя и громадного, литейного корпуса, приводит к тому, что проектировщикам трудно переходить на алюминиевое литье для какой-либо одной модели двигателя, поскольку любое уменьшение объема выпуска вызывает повышение накладных расходов для остальных отливок. Распределение заказов по нескольким небольшим литейным цехам упрощает решение этой проблемы.
При горячих ковке и штамповке значительные трудности для работы обслуживающего персонала создает высокий уровень шума. Его снижение технически трудно осуществимо и к тому же дорого, поэтому, естественно, возникает стимул к удалению обслуживающего персонала из рабочей зоны ковочных прессов. Во всяком случае, при получении крупных поковок существует тенденция к созданию ковочных комплексов, обслуживаемых роботами. Так, фирма ”Праб-роботс” изготовила робот грузоподъемностью 1 т для передачи заготовок из электрической нагревательной печи через все операции ковки. При необходимости робот может манипулировать этими заготовками. Для ковки деталей меньших размеров, которые требуется удерживать во время обработки, ассоциацией французских производителей ковочного оборудования разработан для роботов специальный схват, упрощающий удержание заготовки при опускании на нее бойка ковочного молота.
Роботам, обслуживающим ковочные комплексы, требу-
ется большая рабочая зона для захвата заготовок с загрузочной станции, передачи их в печь и затем на ковочный пресс. В соответствии с принципом замкнутых участков необходим также децентрализованный нагрев заготовок, преимущественно индукционный. Комплексы такого типа применимы в основном при изготовлении поковок небольшими партиями. При изготовлении партии более крупных размеров, например партии поковок для автомобильной промышленности, рекомендуется применение ковочной системы, обладающей некоторыми характеристиками поточной линии. Выпуск наиболее крупных партий поковок, например колец и дисков, требует полной автоматизации ковки.
Однако автоматизация загрузочно-разгрузочных и транспортных операций необходима и при обработке крупных партий поковок, например шатунов и поворотных цапф. Сложная конфигурация заготовок, необходимость захвата различных деталей самого широкого диапазона — все это обусловливает применение роботов со сменными схватами. Однако при расположении нагревательной печи и прессов в одну линию экономически эффективнее оснащение такими захватывающими устройствами обычных манипуляторов. Разумеется, не следует покупать роботы, обосновывая это лишь количеством схватов. При постоянном повторении движений достаточно будет и манипуляторов с цикловым управлением, тем более что они довольно устойчивы к нагреву, присущему ковке.
Повышения коэффициента использования ковочных прессов можно добиться путем применения быстросменных штампов, автоматически передаваемых из складов на прессы. Хотя при смене штампов может понадобиться вмешательство операторов, необходимо добиваться полного исключения этого вмешательства и не в последнюю очередь из-за сильного нагрева штампов при ковке и горячей штамповке.
Вариантом такого подхода является разработка ковочных установок, на которых с помощью несложных инструментов можно изготовлять детали самой различной конфигурации. К основным возможностям этих установок относятся выполнение автоматической ковки в подкладных штампах деталей прямоугольного сечения, валов и труб, дисков и фланцев, полученных из проката, высадка валов и придание им на многоколонном ковочном прессе коленчатого или Т-образного профиля. Такое оборудование разработано для проекта японской ГПС, оснащенной лазером (см. гл. 15). Основной характеристикой этого пресса является управление от ЭВМ, благодаря чему по своим возможностям он приближается к многоцелевому станку. Преимущество такого подхода заключается в сравнительно малом числе требуемых штампов, находящихся около пресса, что упрощает загрузочно-разгру-
зочные и транспортные работы, причем штампы могут автоматически заменяться. Кроме того, манипулирование заготовками, имеющими стандартную форму, легче механизировать.
Возможна также автоматизация холодных объемной штамповки и ковки, хотя и для этого процесса минимальный экономически эффективный размер партии зависит от стоимости штампов и времени простоев. Если, например, средняя скорость работы холодноштамповочного пресса составляет 40 дв.ход/мин, то на обработку партии из 200 заготовок потребуется около 5 мин. При 5 мин, требующихся затем на смену штампа, коэффициент использования оборудования не сможет превысить 50%, а фактически он составит 35%. При ручной смене штампов такие размеры партии экономически неэффективны. Минимальный экономически эффективный размер партии составляет в данном случае примерно 2 тыс. заготовок.
Обычно заготовку до начала ее холодной объемной штамповки обрезают, отжигают, смазывают. Затем для ее профилирования выполняют три перехода, причем после второго перехода заготовку вновь отжигают и смазывают. Третий переход является окончательным. Иногда отжиг и смазывание заготовок необходимо проводить после каждого перехода, поэтому их партия по 2—3 раза передается в два различных цеха. Таким образом, на первом этапе необходимо обеспечить такую практически обоснованную сбалансированность различных технологических операций, которая позволила бы сократить объем незавершенного производства. На втором этапе нужно свести к минимуму время на транзитные перемещения заготовок.
Современные холодноштамповочные прессы оснащают двумя бункерными подавателями и быстросменными штампами, извлекаемыми с боковой стороны пресса. Штампы можно заменить за 5 ... 10 мин, а наличие двух подавателей позволяет начать работу пресса сразу же после смены штампов. В настоящее время общепринятой практикой является остановка пресса для контроля заготовок после примерно 500 его двойных ходов. В случае положительных результатов контроля штамповку продолжают до окончания партии.
Манипулирование заготовками можно усовершенствовать, применив робокары для их передачи между складом, позицией отрезки, прессами и цехами термообработки, а также для перевозки комплектов штампов между накопителями штампов и боковыми сторонами прессов. Штампы можно извлекать с одной или с обеих сторон пресса, а робокары могут перевозить их на склад и со склада или инструментального участка так же, как они делают это с инструментом в механическом цехе.
Дальнейшее повышение уровня автоматизации холодной 256
объемной штамповки связано с ее внедрением при контроле параметров получаемых деталей и смене штампов. Проблема передачи по мере поступления заготовок из выходного лотка пресса на измерительное устройство технически решается достаточно просто, а при остановке пресса оператор может выполнить определенный необходимый объем работ. Таким образом, он сам отвечает за качество своей работы, которое, в свою очередь, определяется сознательностью оператора.
Ключом к внедрению в литейных цехах производства с ограниченным вмешательством обслуживающего персонала является применение безопочной формовки. Обычно формовку выполняют частично в нижней металлической опоке, добавляя туда стержни, и частично в верхней. Затем верхнюю полуформу опускают в заданное положение на нижнюю. В таком виде формы проходят участок формовки. Несмотря на использование • формовочных машин и конвейерных линий, для формовки требуется большое количество рабочей силы.
Системы безопочной формовки разработаны фирмами ’’Дизаматик” (Дания) и ”Уолворк” (Великобритания). В обеих системах формы разделены вертикальной плоскостью разъема (при обычной формовке — горизонтальной). Таким образом, формы можно выполнять двусторонними парами и подавать на линию формовки не по одной полуформе, как раньше, а комплектно и непрерывно. Модели прикрепляют к торцам противолежащих толкателей, плотно установленных в формовочной камере. В камеру сверху подают формовочную смесь и затем эту смесь уплотняют.
В системе фирмы ’’Дизаматик” к толкателю прикрепляют только одну модель, а другую оставляют неподвижной. После уплотнения полуформы неподвижная модель и ее плита поворачиваются и открывают путь двусторонней форме для перемещения по формовочной линии. В системе фирмы ”Уолворк” форма перемещается к линии сбоку, доходит до нее, а затем ее толкателем подают вперед (рис. 14.1).
В машинах, работающих по системе фирмы ’’Дизаматик”, может производиться быстрая и автоматическая смена моделей, поскольку недалеко от машины, сбоку от нее расположен промежуточный склад моделей. Вначале модель перемещают в положение вдоль толкателя. Затем старую модель отодвигают в сторону и на ее место входит новая. Специалисты фирмы сообщают, что на смену модели уходит менее 1 мин. Это обеспечивает высокий коэффициент использования оборудования.
Если для формы требуются стержни, их устанавливают в защитной оболочке, автоматически загружаемой в переднюю полуформу. После этого оболочку удаляют и в рабочую позицию устанавливают вторую полуформу. В результате достигается полная автоматизация формовки, включая установку
Рис. 14.1. Принцип действия машин для безопочной формовки: 1,2~ система фирмы ’’Дизаматнк”; 3, 4 — система фирмы ’’Уолворк”
стержней. В настоящее время стержни загружают в оболочку вручную. Однако эту операцию можно роботизировать, хотя для робота в таком случае может потребоваться тактильный схват.
Применение описанной системы позволяет по сравнению с обычной формовкой сократить не только количество обслуживающего персонала, но и занимаемую производственную площадь (на 30%), а также производственные расходы (на 20%). Дальнейшее повышение производительности обеспечивается за счет сведения к минимуму число стержней и автоматизации их изготовления, а также автоматизации заливки расплава и перевозки всех необходимых материалов. Частичная механизация изготовления стержней достигается при изготовлении стержней методами ’’горячего ящика” или продувки формовочной смеси холодным газом (холодно-газовый процесс) .
В то же время именно на этом этапе производственного процесса наиболее важное значение приобретают такие основополагающие факторы, как незавершенное производство и управление оперативным планированием. Начиная со стадии формовки, эта система представляет собой поточную линию, где в одной партии формы могут иметь шесть стержней, в другой 20, а в третьей — ни одного. Таким образом, положение становится неопределенным и поэтому в настоящее время стремятся изготовлять стержни с небольшим избытком с тем, чтобы обеспечить непрерывность работы линии. Однако в первую очередь для этого нужно, не полагаясь на избыточный запас, соблюдать строгую производственную дисциплину.
Создание для хранения стержней небольшого многоярусного склада с автоматическим складированием и поиском — это только начало.,Стержневой цех должен работать по компенсационной системе, т.е. изготовлять стержни лишь после того, как их выдали со склада на проведение определенных работ. Использование машин для изготовления стержней методами ’’горячего ящика” или холодно-газового процесса позволяет достичь сравнительно высокого уровня автоматизации, поскольку формовочная смесь, вдуваемая в модели, остается там при ее отверждении. Выталкивание также производится автоматически, поэтому для завершения автоматизации нужно механизировать загрузку, разгрузку и транспортирование, а также внедрить быстродействующую смену моделей. В стержневых цехах повсеместно распространен монорельсовый транспорт, но непрерывность движения и нежесткость фиксации положения не позволяют механизировать загрузочно-разгрузочные и транспортные работы до тех пор, пока не появится возможность временной фиксации несущей тележки на загрузочно-разгрузочных позициях.
При параллельной работе нескольких стержневых машин механизировать изготовление стержней можно путем применения робокаров и палет. Выталкиваемые из машины стержни можно подавать на рольганг и далее на загрузочную станцию, где робот устанавливает стержни на палеты, которые затем забираются робокарами. При оснащении машин соответствующим количеством рольгангов робот может обслуживать несколько машин. Однако, чтобы добиться работоспособности такой системы, на каждом стержне, возможно, придется выполнять прочные выступы стандартной конфигурации либо выталкивать стержень из машины непосредственно в пустой ящик, манипулирование которым для робота сложности не представляет.
Расплавленный металл можно механически передавать из раздаточных печей в разливочные ковши. Немало усилий было предпринято для автоматизации заливки расплава в литьевые машины. Необходимость роботизации здесь до некоторой степени определяется тем, что при выполнении сложных отливок недостаточно иметь возможность прекращения заливки в нужное время. Ее скорость следует регулировать в зависимости от величины сигналов обратной связи, указывающих скорость заполнения металлом формы. При повторяющихся партиях эту скорость можно установить заранее и контролировать с помощью заливщика (для этого можно применить также и устройство ЧПУ типа CNC), однако контроль с обратной связью все же эффективнее. Из-за большого тепловыделения при разливке может возникнуть необходимость в использовании для контроля оптических систем, сигналы от которых по опто-
Рис. 14.2. Роботизированная зачистка отливок сложной формы
волоконным кабелям передаются на дистанционное управляющее устройство.
При безопочной формовке выбивку форм и встряхивание отливок можно выполнять автоматически, а очищенные отливки по конвейеру могут передаваться в обрубочно-зачистное отделение. При зачистке поверхности крупных отливок возможно применение оснащенных ЧПУ типа CNC зачистных машин с несколькими абразивными кругами или лентами. Это позволяет автоматизировать операцию зачистки. Для зачистки небольших отливок можно создать роботизированные комплексы, оснащенные системой обратной связи. Это один из способов механизации таких трудоемких работ (рис. 14.2).
Таким образом, в целом литейный цех может работать с небольшим количеством обслуживающего персонала, необходимого для дистанционного контроля печей и наблюдения за ходом важнейших технологических процессов. Производительность современных литейных цехов может достигать в месяц 15 т отливок на человека, а в случае применения безопочной формовки ее можно поднять до 30 т. Механизация изготовления стержней, разливки, загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, работа цеха в три смены — все это позволит довести месячную производительность до 45 ... 60 т на одного человека.
Литье под давлением. Участки литья цинка и алюминия под
давлением в отношении механизации имеют значительные преимущества по сравнению с чугунолитейными цехами. На многих таких участках автоматизирована заливка расплава, а извлечение отливок в основном механизировано. Небольшие отливки выталкивают непосредственно в расположенную за литьевой машиной охлаждающую ванну, откуда они поступают на прессы для обрубки облоя. Более крупные отливки извлекают роботами, которые передают их на пресс для обрубки облоя, а оттуда — на палеты или в лотки. От центральных раздаточных печей к раздаточным печам, находящимся непосредственно у отдельных машин, металл можно перевозить также с помощью робокаров. В этом случае оптимальным решением будет, по-видимому, применение самоходного вилочного автопогрузчика. Таким образом, некоторые участки литья под давлением в принципе довольно близки к ГПС. Для превращения в подлинные ГПС им не хватает лишь действующих систем централизованного управления от ЭВМ и транспортных систем (рис. 14.3).
Аналогичное положение сложилось и в области литья термопластов под давлением. Пластмассовые гранулы или порошок по трубопроводам доставляют к машинам для литья под давлением, а получаемые отливки либо падают на проходящий под машиной конвейер, либо удаляются роботами. В этом случае рука робота установлена непосредственно на машине, а сам он фактически является манипулятором, работающим в
Рис. 14.3. Загрузка роботом вкладышей в пресс-форму и разгрузка отливок на машине для лнтья металлов под давлением
Рис. 14.4. Роботизированная машина для литья пластмасс под давлением, работающая практически без участия обслуживающего персонала
прямоугольной системе координат. Некоторые машины оснащают устройствами для отрезания литников у отливок перед их попаданием в палету или на конвейер. На небольшом предприятии в Токио один оператор обслуживает три машины, на которых для игрушек изготовляют отливки небольших размеров. В цехе он бывает ежедневно около получаса, а машины фактически без обслуживающего персонала работают по 12 ч в сутки. Поскольку периодически приходится проверять качество продукции и выполнять определенные регулировки, для обеспечения полностью безлюдного производства возникла необходимость в установке системы адаптивного управления (рис. 14.4).
Недостающим звеном в цепи автоматизации этого технологического процесса является быстродействующая смена пресс-форм. Устройства для ее автоматического осуществления разработаны фирмой ’’Тосиба”. Практически впервые они были установлены на фирме ’’Ниссан мотор”. Три таких устройства эксплуатируют в цехе изготовления автомобильных буферов. На большом столе, установленном вдоль машины для литья пластмасс под давлением, находится комплект пресс-форм и ряд роликов. При необходимости замены пресс- форм оператор нажимает кнопку, и пресс-форма медленно смыкается. Затем оператор отсоединяет от нее шланги для подачи охлаждающей воды и гидравлической жидкости, а также разъединяет электрические контактные соединения.
После этого включается устройство автоматической смены
пресс-формы, разжимающее центрирующий клин. Пресс- форма соскальзывает к боковой стороне машины и после ее очистки весь стол, на котором установлены пресс-формы, перемещается вперед таким образом, чтобы новые полуформы располагались параллельно ползунам. После этого вновь установленные полуформы перемещаются внутрь, центрирующий клин зажимается и новая пресс-форма смыкается. Оператор подсоединяет к ее полуформам воздушные и гидравлические шланги и электрические провода, после чего устройство вновь готово к работе.
С помощью этого устройства на смену пресс-форм требуется около 1 ч, а без него — 3 ч. Сама смена пресс-форм фактически занимает 10 ...20 мин, остальное время оператор тратит на отсоединение и подсоединение шлангов и электрических проводов. Дело в том, что шланги для подачи охлаждающей воды кроме того, что они имеют большой диаметр (около 120 мм), нагреваются до высокой температуры и это затрудняет манипулирование ими. К тому же, нужно подсоединять и отсоединять около 20 электрических проводов (рис. 14.5).
Используя многоконтактные соединители (штепсельные разъемы), объединенные в одном блоке, и быстродействующие соединительные устройства для шлангов, общее время смены пресс-форм можно сократить до 30 мин, что могло бы сделать экономически эффективным применение роботов для смены пресс-форм. Существуют тенденции к включению в устройство смены пресс-форм установки для их предваритель-
Рис. 14.5. Крупная машина для литья под давлением с устройством автоматической смены пресс-форм
кого подогрева. Тем самым сокращается время, необходимое обычно для прогревания пресс-форм после установки. В настоящее время на этом теряется 5—10 литейных циклов.
Поскольку смена пресс-форм на этих машинах производится примерно всего один раз в неделю, нет смысла ее полностью автоматизировать. Использование робота для подключения шлангов и электрооборудования также было бы неэкономично. На одном из предприятий фирмы ’’Ниссан” машины могут работать без вмешательства обслуживающего персонала до 2 ч. Этот предел определяется длиной направляющих, на которые робот опускает пресс-формы. Разумеется, направляющие можно удлинить, а во многих случаях рекомендуется устанавливать пресс-формы непосредственно на палеты.
В процессе эксплуатации литьевых машин меньших размеров на участках литья металлов и пластмасс под давлением нужно стремиться к сокращению простоев. Прежде чем приступить к комплектованию новых пресс-форм, нередко операторы ожидают, пока снимут старые и увезут их на склад. Такая практика была оправдана при ручной заливке расплава, когда оператор мог работать, только находясь вблизи машины. В одном случае полное использование всех возможностей автоматизации смены пресс-форм позволило сократить время смены с 90 до 4 мин.
С этой целью было проведено несколько организационнотехнических мероприятий. В инструментальном отделении полностью выполнили всю предварительную настройку новой пресс-формы, доставили ее к машине непосредственно перед окончанием работы старой пресс-формы и оставили там в подвешенном состоянии; после окончания отливки всей партии изделий другие старые пресс-формы были раскреплены и с помощью крана извлечены из своих гнезд, а на их место были опущены новые. Среди других усовершенствований —сокращение количества используемых болтов, применение у них резьбы с большим шагом и выполнение резьбовых шпилек с предельно малой длиной нарезки. Кроме того, устанавливались быстросменные шайбы, которые можно было вытащить сразу же, как только отжимали гайки, что также ускоряло смену пресс-форм.
Такое значительное сокращение времени смены пресс-форм (с 90 до 4 мин) может иметь большое значение для определения требуемого количества обслуживающего персонала, особенно если механизирована заливка расплава и разгрузка. В этом случае роль человека сводится лишь к наблюдению и контролю, в результате чего одна небольшая бригада может менять пресс-формы на всех машинах. Практически реально также создание рабочей смены без вмешательства обслуживающего персонала или, возможно, с одним диспетчером. Бе-
зусловно, автоматическая смена и предварительный нагрев пресс-форм желательны, но экономически эффективными они станут лишь при использовании на достаточно крупных литьевых машинах. Точно также в большинстве случаев наиболее рациональным средством доставки пресс-форм из складов на машины сейчас представляются краны, однако при использовании робокаров стало бы реальным не только надежное управление перемещением пресс-форм через участок их ремонта, но и возникли бы предпосылки автоматизации их смены.
Приближается время внедрения ГПС в обычных литейных цехах и на участках литья металлов и пластмасс под давлением. При комплексной автоматизации транспортирования и складирования стержней, пресс-форм и отливок и четко налаженной смене пресс-форм можно достичь многих целей, которые ставятся при внедрении ГПС. В это же время вспомогательное оборудование также приводится в соответствие с принципами, на которых базируются ГПС. Как и при осуществлении других технологических процессов, управляющему литейным цехом придется при планировании опираться прежде всего на свой собственный опыт, поэтому обязательно возникнет необходимость в создании группы специалистов для разработки различных проектов и подготовки кадров по новым специальностям.
ГЛАВА 15. ПРОЕКТ ЗАВОДА-АВТОМАТ А
Успешное развитие ГПС очень важно для дальнейшего развития промышленности. Поэтому большинство промышленно развитых стран финансировали либо продолжают финансировать в настоящее время интенсивные исследования тех или иных типов ГПС. В одних случаях финансовая поддержка этих исследований осуществляется по конкретным разработкам. В Великобритании финансовая поддержка была оказана при разработке большинства новых ГПС. Иногда разработка ГПС проводится комплексно, на обобщенных условиях.
Так, проект ГПС типа SCAMP возник в результате разработки правительством Великобритании многолетней программы автоматизации мелкосеоийного металлообрабатывающего производства ^Automated Small Batch Production). Участвовать в этой программе предлагалось английским станкостроительным фирмам. Фирма ’Труп-600” приняла предложение, в результате чего и появился проект ГПС типа SCAMP стоимостью 3 млн. ф.ст. Государственная дотация составила 2 млн. ф.ст. В ФРГ при финансовой поддержке государства частными фирмами также создавались различные ГПС, хотя одновременно в этой области проводились исследования, финансируемые не- 9 Хартли 265
посредственно государством. Французское правительство включило в свой проект развития робототехники перспективные и конкретные исследования в области ГПС.
Однако все эти программы ни в коей мере не могут сравниться с грандиозным проектом автоматизированного завода, принятым к разработке в Японии под общим контролем Министерства международной торговли и промышленности. Завод начал создаваться в декабре 1977 г. и должен был вступить в строй к концу 1984 г. Этот проект нельзя рассматривать как проект обычной ГПС. Главная цель, достигаемая при его осуществлении, — автоматизация мелкосерийного производства, начиная от поставки сырья и кончая отгрузкой готовых изделий. Разумеется, от ЭВМ управляются все системы, включая ковку, получение изделий методом порошковой металлургии, термообработку, механическую обработку, сварку, сборку и контрольно-измерительные операции.
При обработке методом пластической деформации предполагалось получать поковки различной конфигурации, используя машины, оснащенные стандартными инструментами. Для резки, сварки и термообработки планировалось применение лазеров. Механический цех должен был фактически превратиться в ГПС. Сборка должна была выполняться посредством роботизированных сборочных комплексов. Внедрение автоматизированного оборудования предполагалось завершить применением автоматической контрольно-измерительной машины. В принципе планировалось круглосуточное функционирование этого автоматизированного завода, который в дневную смену должно было обслуживать пять человек. В ночную смену обслуживание персоналом не предусматривалось.
Подход к созданию этого проекта типичен для министерства, которое организует свои исследования, объединяя усилия трех собственных исследовательских лабораторий с усилиями 20 фирм. Суть проекта состояла в слиянии академических исследований с производственными. Каждая из вовлеченных в проект фирм должна была приобрести опыт разработки прототипа усовершенствованной машины. От внедрения проекта ожидалось получение следующих результатов:
успешное объединение электроники с механикой, позволяющее добиться круглосуточной работы оборудования при незначительном объеме контроля производственного процесса, причем проводимое только в дневную смену;
50%-ное сокращение производственного цикла при значительном повышении производительности;
значительные успехи в разработке новых конструкций машин с целью создания основ машиностроения на базе развития интенсивных технологий;
использование разработанного оборудования на небольших
фирмах и решение проблемы дефицита квалифицированных рабочих.
Для выполнения этого проекта было создано несколько рабочих групп. Однако в первую очередь была образована группа общих систем, отвечающая за состояние исследований и разработок по соответствующим направлениям и за доведение их результатов до соответствующих рабочих групп. Эти группы учреждались для проведения конкретных разработок на каждом отдельном участке проекта завода. В них включались главным образом наиболее крупные станкостроительные фирмы и поставщики соответствующего оборудования. Рабочие группы были составлены по следующим направлениям.
Группа, получения заготовок предназначалась для разработки машин для гибкой ковки, прокатки дисков и пресса для горячего изостатического прессования. В эту группу входили фирмы ’’Аида инжиниринг” (гибкая ковка), IHI — ’’Исикавадзима Харима хеви индастриз” (гибкая ковка в подкладных штампах), ”Кобе-стил” (прокатка дисков) и ’’Мицубиси хеви индастриз” (порошковая металлургия).
Группа механической обработки и сборки имела задачу разработать многоцелевые станки модульной конструкции, специальные зажимные патроны, сборочные роботы и схваты для них. В эту группу входили фирмы ’’Хитати Сейки”, ’’Макино миллинг”, ’’Тосиба машин”, ’’Тойода машин уоркс” (сборка), ’’Ямадзаки машинери” и ’’Ясакава электрик” (роботы и системы управления).
Группа применения лазеров. Целью этой группы была разработка лазеров высокой мощности и систем направления лазерных лучей с тем, чтобы обеспечить их распределение от центрального источника на остальные рабочие позиции. Участники этой группы —фирмы ’’Хориба”, ’’Мацусита рисерч инститьют”, ’’Мицубиси электрик”, NEC, ’’Сумитомо-элект- рик” и ’’Тосиба”.
Группа диагностики и управления предназначалась для разработки управляющего оборудования для обнаружения и коррекции неисправностей. В ее состав входили фирмы ’’Фанук”, ”Оки электрик”, ’’Окума” и ”Син Ниппон Коки”.
Группой получения заготовок было разработано четыре машины. Первой среди них был автоматический пресс фирмы IHI для ковки в подкладных штампах, предназначенный для получения из стандартных пластин и стержней плоских плит или брусков, прутков, ступенчатых валов, дисков и шестигранных прутков. Этот крупный пресс обслуживают два манипулятора, перемещающихся на рельсовых тележках. Основная цель разработки состояла в получении современного, управляемого от ЧПУ оборудования, способного выполнять разнообразные кузнечно-прессовые работы.
Второй машиной была машина для круговой прокатки дисков и колец, в которой нагретые диски при вращении профилировались с помощью нескольких роликов несложного профиля. В результате получались гильзы различной формы с фланцами, колеса с тонкими дисками и большой толщины ступицами и ободьями. Сплошной или с прошитым отверстием диск нагревают и приводят в движение таким образом, чтобы он получил возможность вращения относительно своей оси, а в заданной позиции удерживался с помощью нескольких направляющих роликов, установленных по его периферии. Для формирования периферии диска с целью получения заданных размеров или профиля используют боковой ролик большого диаметра, а обод направляют и профилируют посредством пары конических роликов. Имеется также центральный вал и наклонный ролик для получения диска колеса (рис. 15.1).
Фирма ’’Аида” изготовила два гибких ковочных пресса. Первый пресс оснащен верхним и нижним вертикальными подвижными ползунами и четырьмя горизонтальными ползунами для обжатия вала по диаметру. У второго пресса, выполненного одностоечным, пять ползунов с гидравлическим приводом. Верхний вертикальный ползун усилием 2 МН (200 тс) находится напротив нижнего вертикального усилием 0,5 МН (50 тс), расположенного в основании. Имеется также крупный горизонтальный ползун усилием 2 МН и по одному ползуну усилием по 0,5 МН с каждой стороны пресса. Перед прессом находится манипулятор для загрузки, выгрузки и транспортирования заготовок между операциями, имеющий возможность поворота на своем основании. Манипулятор перемещают на тележке.
Пресс оснащен комплектом стандартных штампов и предназначен для выполнения операции высадки валов на их концах или в середине, а также для получения кривошипов и деталей Т-образного профиля из прутков диаметром до 120 мм, длиной до 600 мм и массой до 15 кг. Его можно также использовать для глубокой вытяжки гильз или кронштейнов из тонколистовых заготовок. Для получения кривошипов гибочный штамп приводится в действие верхним вертикальным ползуном, а боковые ползуны оказывают в это время давление на концы вала. Для уменьшения диаметра вала или выполнения его ступенчатым используют боковые ползуны, а пруток может быть обжат по периметру с помощью вертикальных ползунов. В зависимости от требуемых точности и усилия на прессе могут обрабатывать холодные и горячие заготовки с возможностью поворота при обработке (рис. 15.2).
В ковочный комплекс входят также индукционный нагреватель, устройство автоматической смены штампов, накопители для штампов и склады для обрабатываемого материала, 268
15.1. Схема получения поковок из заготовок различных размеров и профилей
Рис. 15.2. Изготовление поковок (в) из заготовок (а) иа ковочиом прессе с несколькими ползунами (5)
робот для манипулирования заготовками. Управление производится от ЭВМ, обеспечивающей увязку функционирования робота с работой ползунов, а также хранение и ввод управляющих программ.
Важнейшим новшеством в горячем изостатическом прессе является использование предварительного подогрева керамической формы с пресс-порошком. Ее нагревают до температуры 1000 0 С, что позволяет сократить цикл прессования с 5 до 1 ч. Формы с пресс-порошком передают на пресс из печей предварительного подогрева посредством тележки, перемещающейся на роликах внизу под прессом.
Поскольку максимальная гибкость является, как известно, важнейшим фактором, определяющим установку гибких производственных модулей, многоцелевые станки в этом проекте выполняют с взаимозаменяемыми узлами на общих станинах. В результате один и тот же базовый узел можно использовать для токарной обработки, сверления, растачивания и шлифования. Это обеспечивается тем, что в каждый узел входит по три головки, причем зажимные патроны и обрабатывающие головки взаимозаменяемы между собой. Следовательно, деталь можно установить в патроне на шпинделе, а обрабатывающими головками вначале произвести расточку или сверление. Затем эти головки можно привести во вращение и выполнить с их помощью обработку, которую обычно выполняют на токарном обрабатывающем центре. Такие центры уже выпускаются рядом фирм. Однако преимущество именно этой системы состоит в том, что деталь можно без применения робота последовательно передавать от одной обрабатывающей головки к другой, а затем и на следующий модуль. Такой под-
ход, который, однако, неизбежно приводит к простоям дорогого оборудования в процессе передачи деталей, в дальнейшем был фактически отменен развитием робототехники. Станки проектировались для обработки деталей примерно 30 наименований с размерами до 300Х 300Х 300 мм.
Для расширения возможностей инструментального обеспечения многоцелевых станков предусмотрена сложная система смены инструментов, включающая инструментальные барабаны, передаваемые на станки робокарами. Для смены инструментов в барабанах на инструментальном участке применяют устройство автоматической смены инструментов. С помощью робокаров перевозят также узлы станков (при их смене), спутники и зажимные патроны.
Разработаны вспомогательные участки для проведения исследований высокоскоростных шпиндельных узлов, режущих инструментов, фрикционных приводов подач, измерений с помощью щупов. Кроме того, предусмотрен отдельный измерительный комплекс с горизонтальной контрольно-измерительной машиной.
В гибком сборочном комплексе сосредоточено три сборочные позиции. На первой позиции установлен робот, предназначенный для укладки заготовок на палеты и работающий в прямоугольных координатах. Вторая позиция выполнена в виде крупногабаритного четырехпозиционного сборочного блока с двумя или тремя механическими руками, также перемешивающимися в прямоугольной системе координат. Одна рука установлена на траверсе, расположенной в верхней части блока, и может перемещаться по осям X Y, Z. С той же стороны блока имеется одна или две аналогичные руки также с возможностью перемещения по трем осям координат. Все эти руки снабжаются комплектами схватов, устанавливаемых практически так же, как устанавливают инструменты в инструментальных магазинах многоцелевых станков. Для двух рук предусмотрено по 20 схватов, для одной — только шесть (рис. 15.3).
Стандартный робот фирмы ’’Ясакава”, установленный на третьей сборочной позиции, оснащен системой технического зрения. Его используют для ввода и установки болтов и аналогичных изделий. Автоматическая контрольно-измерительная машина находится на четвертой позиции. Для палет (или кассет) предусмотрен вертикальный склад. Их транспортировка производится робокарами. Сборочные комплексы предназначены для сборки 18 типоразмеров шпиндельных узлов по 32 детали в каждом и 19 типоразмеров коробок скоростей по 37 деталей в каждой.
Имеется также лазерный комплекс, оснащенный лазерами мощностью 10 кВт и 300 Вт. Лазерные лучи через световоды
Рис. 15.3. Выполнение сборки в гибком сборочном комплексе на базе четырехстоечиого сборочного агрегата, оснащенного двумя или тремя механическими руками:
— главное управляющее устройство и монитор; 2 — шкаф с кассетами; 3 — робокар для перевозки кассет; 4 — кассета; 5 — управляющее устройство электроавтоматики; 6 — автоматический сборочный агрегат; 7 — инструментальный магазин; 8 — устройство приемки, раскладки и транспортирования деталей; 9 — модуль подбора и подачи деталей направляются на заготовительный участок для резки заготовок и на участок металлообработки для сварки, снятия заусенцев и термообработки.
Автоматическая контрольно-измерительная машина предназначена для проверки девяти размеров или функций. При оснащении, например, коробки скоростей электродвигателем на этой машине можно измерить пусковой и крутящий моменты. Кроме того, на ней возможно измерение также различных размеров, профиля и биения.
Министерством было принято решение о специализации автоматизированного завода на производстве коробок скоростей и шпиндельных узлов массой до 30 кг. Основанием для решения послужил тот факт, что коробки скоростей и шпиндельные узлы представляют собой типовые конструкции, требующие механической обработки, а также сборки валов с корпусом. Кроме того, при сборке понадобится установка деталей с различными посадками. Базовым элементом коробки скоростей служит корпус с фланцами на торцах. В корпусе расположены два вала с установленными на них зубчатыми 272
колесами, а также шайбы и втулки. Размеры корпуса составляют 276X265 мм, длина вала 226 мм. В коробке скоростей другой конструкции ступенчатый вал длиной около 250 мм установлен в прямоугольном корпусе размерами 200Х190 мм и опирается на две пары подшипников. Кроме производства упомянутых выше узлов в качестве эксперимента планируется выпуск более сложных коробок скоростей, дизельных двигателей и плунжерных насосов.
Для выполнения различных транспортных операций на заводе применяют робокары. Предусмотрены также различные промежуточные накопители. Система управления выполнена с иерархической структурой. Общее управление осуществляется посредством системы обработки информации, с помощью которой обрабатывают данные, поступающие при оперативном планировании и от гибких производственных модулей. ЭВМ системы связана с двумя устройствами управления производством, одно из которых предназначено для управления подачей заготовок, а другое — для управления их механической обработкой, сборкой, контрольно-измерительными и транспортными операциями. На следующем, более низком уровне находятся управляющие устройства для различных систем. При механической обработке, например, существует дополнительный уровень управления, на котором для каждой оси перемещения рабочего органа станка предусмотрен программируемый контроллер. Эта система управления отличается от систем управления другими ГПС тем, что все управляющие программы в ней включены в программу оперативного обслуживания.
Хотя такой системе свойственны определенные недостатки, ее все же применяют, так как доказано, что подготовку новых технологических процессов проще осуществлять в пределах одной системы путем включения дополнительных управляющих программ, чем создавать для этого отдельные системы.
В программное обеспечение на верхнем уровне управления включают календарное планирование, управление распределением управляющих программ, обеспечение программными заданиями, управление производственными процессами, определение последовательности выполнения программ и управление обработкой данных через базу данных. Кроме того, существует возможность диагностирования неисправностей (рис. 15.4).
В систему управления заводом предполагается включить и САПР (система CAD^, что позволяет проектировать изделия с учетом возможностей оборудования и характеристик уже изготовляемых деталей. Полученные данные подлежат автоматической передаче в систему управления для организации сбо-
Рис. 15.4. Иерархическая система управления ГПС, оснащенной лазером: БД — база данных; КИМ — контрольно-измерительная машина; Л Г — лазерный генератор и лазерная головка; МЛ — магнитная лента; ОМ — обрабатывающий модуль; ПОД —программа обработки данных; СД — система диагностики; СМ — сборочный модуль; СОИ — система обработки информации; ТП — технологическая программа; ТПОГ — тележка для перевозки обрабатывающих головок; УУГКМО — устройство управления гибким комплексом механической обработки; УУГСК — то же, сборочным комплексом; УУКК — то же, контролем качества; УУЛУ — то же, лазерной установкой; УУОГ — то же, обрабатывающей головкой; УУОМ — то же, обрабатывающим модулем; УУП — то же, производством; УУСМ — то же, сборочным модулем; УУСГ — то же, сборочной головкой; У УТ — то же, транспортом
рочных работ. Таким образом, теоретически стандартные пластины, прутки и детали, полученные методами порошковой металлургии, будут поступать на тот конец технологической цепочки, откуда начнется их автоматическое превращение в поковки, пластины и детали более сложного профиля. После этого заготовки небольшими партиями будут передавать в механические и сборочные цехи для завершения обработки. На многоцелевых станках будет выполняться также сварка и
термообработка. Роль диспетчеров будет выполнять всего несколько человек.
Специально для этого завода были созданы различные машины, но для общего применения они слишком сложны и дороги. За исключением крупногабаритных машин для обработки методом пластической деформации весь автоматизированный завод размещен в новом здании лаборатории технологии машиностроения в г. Цукуба, Япония. Поскольку на первых порах предполагается несбалансированность по различным параметрам между его различными участками, было решено не строить отдельное здание для всего комплекса.
Следствием осуществления этого проекта стал большой прогресс, наблюдающийся в настоящее время в области развития ГПС. Например, большая часть станков была полностью реконструирована для повышения их практической эффективности в процессе реализации проекта. Кроме того, в результате приобретения определенного опыта при реализации проекта некоторыми участвовавшими в нем фирмами были разработаны новые станки. В целом этот проект целиком себя оправдал в отношении увеличения для японской промышленности общего объема опыта в области ГПС.
ГЛАВА 16. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Система управления, пожалуй, вызывает наибольшие трудности при внедрении ГПС как на малой, так и на большой фирме. Это объясняется тем, что персонал фирмы, ответственный за установку ГПС, почти наверняка включает специалистов- механиков и не имеет в своем составе специалистов по вычислительной технике. В самом деле, некоторые обозреватели полагают, что из-за сложности проблемы управления ГПС могут использоваться лишь на очень крупных фирмах. Такой вывод совершенно не соответствует фактическому положению по ряду причин. Во-первых, ГПС отличаются большим разнообразием по размерам и структуре, причем некоторые из них оснащаются достаточно простыми системами управления. Последние не требуют специальных знаний в области вычислительной техники. Во-вторых, существует ряд фирм, которые специализируются на производстве комплектных систем управления, выполненных на основе ЭВМ. Такие системы обеспечивают календарное планирование производства, управление ГПС и ряд других функций. В-третьих, отсутствие квалифицированных специалистов в области вычислительной техники представляет собой лишь временную трудность, которая может
быть быстро преодолена благодаря энтузиазму, проявляемому в отношении к ЭВМ молодыми специалистами.
В тех случаях, когда установка полного комплекта оборудования системы осуществляется специалистами фирмы- поставщика, необходимость в программистах обычно отпадает. После ввода комплектной системы в эксплуатацию пользователю предоставляется возможность общения с ней с помощью английского разговорного языка. Такая возможность позволяет пользователю вносить в программное обеспечение необходимые коррекции в небольшом объеме без какой-либо помощи со стороны программиста фирмы-поставщика. Естественно, что при необходимости внесения в программное обеспечение значительных коррекций, как, например, для изменения формата текущих данных, выводимых на дисплей терминальных устройств, должны привлекаться специалисты фирмы- поставщика системы управления.
Все это означает, что опасения, проявляемые как со стороны высшего административного персонала, так и со стороны заводских рабочих по отношению К системам управления, являются, вероятно, главным препятствием к внедрению ГПС. Другим очень серьезным препятствием является мнение, что характеристики системы управления определены с большой точностью и что фирма—поставщик станков может решать небольшие проблемы, связанные с несовместимостью оборудования, самостоятельно. К сожалению, взаимная стыковка современных станков с ЧПУ типа CNC, роботов и ЭВМ лишь в редких случаях осуществляется достаточно просто. Для проведения такой стыковки в некоторых случаях требуется разработка специальных интерфейсных устройств. Кроме того, поскольку станкостроители имеют дело главным образом с металлообработкой, их квалификация оказывается недостаточной для проведения разработки интерфейсных протоколов и решения других вопросов, связанных с ЭВМ.
Отсюда следует, что в разработке проекта ГПС должны принимать участие специалисты по системам управления. Причем эти специалисты должны обладать соответствующими правами в решении вопросов, связанных с управлением. Конечно, это тот случай, в котором теория и практика не согласуются одна с другой. Однако здесь в первую очередь необходимо установить объекты и степень управления.
Некоторые специалисты считают, что ГПС представляет собой всего лишь подсистему, входящую в состав значительно более развитой системы — интегрированного производства (С/М), управляемого от ЭВМ. Согласно этой концепции за все функции производства, в том числе материально-техническое обеспечение, календарное планирование, автоматизированное проектирование — САПР, автоматизированную технологи-
ческую подготовку и управление производством изделий от ЭВМ — АСТПП, формирование заказов на закупку и административное управление, интегрированные в единую систему, отвечают специалисты по вычислительной технике. Очевидно, что эти специалисты здесь стремятся играть ведущую роль. Однако в равной степени маловероятно, чтобы руководство других подразделений фирмы с легкостью отказалось от участия в управлении производством. Тем не менее, при создании ГП С следует стремиться к указанному уровню интеграции функций производства. На практике не всегда удается достичь интеграции всех функций производства. Однако управление всеми функциями производства, там где это возможно, должно быть автоматизировано и осуществляться по единому принципу с помощью ЭВМ (рис. 16.1).
Согласно другой концепции ГПС (на практике это может быть несколько ГПС) рассматривается в качестве стержневой основы производства. Этот жизнеспособный стержень как бы обрастает с внешней стороны другими функциями производства. На практике последняя концепция оказывается ближе к действительности, поскольку ГПС базируется на воспроизводимых методах и принципах, что позволяет персоналу, приступающему к созданию ГПС, овладеть инициативой в этом вопросе. Однако перед установкой ГПС необходимо приступить к разработке других различных систем управления, если они не являются неотъемлемой частью работ, проводимых фирмой. Прежде всего должна быть описана реальная система календарного планирования производства, определены точные данные об объеме незавершенного производства, под-
Рис. 16.1. Система управления с иерархической структурой для ГПС: 1 — управление производством; 2 — центральная ЭВМ; 3 система автоматизированного проектирования и управления производством изделий с помощью ЭВМ; 4 — координирующая ЭВМ; 5 — ввод-вывод данных; 6 — технологические операции; 7 — управление сменой инструмента; 8 — контроль качества; 9 — робот; 10 — распределение и транспортирование материалов; 11 — станки
робно описаны технологические операции. Все это должно быть задокументировано. Если эти функции не охватываются системой управления, то эффективность ГПС низка. В этом случае все преимущества ГПС оказываются рассредоточенными по другим подразделениям.
Однако из приведенных соображений не следует, что календарное планирование с помощью ЭВМ должно быть введено повсеместно на всем заводе. Для начала может подойти простая система управления. Действительно, основу известной системы управления производством по синхронному принципу фирмы ’’Тойота” составляют специалисты и простейшие бирки, а не ЭВМ. Эта система синхронного управления получила быстрое распространение в японской промышленности. Широкое распространение принципа синхронного производства объясняется тем, что этот принцип значительно сокращает незавершенное производство, создавая не только прямую экономию производственных затрат, но также обусловливая сокращение уровня брака и повышение равномерности загрузки станков. В то время как большинство систем производственного планирования обеспечивает распределение загрузки по предварительно заданной жесткой схеме, начиная с первого производственного участка в технологической цепочке обработки х деталей, последовательно по участкам всего завода, фирма ’’Тойота” предлагает систему синхронного производства по заказам с последующих участков. В такой системе каждый участок отвечает только за производство такого количества деталей, которого достаточно для восстановления запасов деталей, использованных на доследующем участке.
Управление всей производственной системой на фирме ’’Тойота” осуществляется посредством бирок, прикрепляемых к спутникам. Например, в начале сборочной линии находятся два спутника (две палеты). Один из этих спутников с деталями направляется на сборку, в то время как второй находится в состоянии ожидания. Когда оператором сборочной линии будут использованы все детали, находившиеся на первом спутнике, то с него снимается соответствующая бирка и прикрепляется ко второму, заполненному деталями спутнику. К разгруженному спутнику прикрепляется другая, соответствующая его состоянию бирка. С этой биркой разгруженный спутник отправляется обратно на предыдущий участок, на котором оказываются теперь два спутника. Один спутник загружен, другой — заполняется деталями по мере их изготовления. Соответствующая бирка на разгруженном спутнике является указанием о необходимости изготовления дополнительного количества деталей. Без такой бирки на разгруженном спутнике персонал на предыдущем участке не станет заниматься изготовлением дополнительного количества деталей. В завер- 278
шение производственного цикла загруженный спутник доставляется к сборочной линии, так что на каждом участке опять оказываются два спутника.
Такая система синхронного управления производством, функционирующая в реальном масштабе времени, оказывается весьма эффективной, в особенности для процессов, при которых изготовление и сборка деталей, подузлов и узлов производятся на различных участках. На практике при использовании системы производственного планирования с помощью ЭВМ может быть внедрена система синхронного управления производством. При этом заявки на изготовление дополнительного количества деталей вводятся в систему управления производством операторами соответствующих участков с помощью терминальных устройств. Не оставляет сомнения, что система синхронного управления производством способствует сокращению затрат на незавершенное производство и одновременному сокращению неоправданных затрат, поскольку такие затраты возникают из-за производства излишних деталей, сокрытия неравномерной загрузки станков и наличия станков, производящих чрезмерное количество бракованных деталей.
Следующим преимуществом системы синхронного управления производством по сравнению с некоторыми системами централизованного управления от ЭВМ является ее функционирование в реальном масштабе времени. При возникновении в такой системе условий, приводящих к необходимости изменения запасов, соответствующая информация проходит через всю систему. Одной из возможностей внедрения в производство системы управления и планирования с помощью ЭВМ является приобретение комплекта аппаратного и программного обеспечения, как, например, MAN-500 или SYSIMP-фирмы ’’Систайм”. Программное обеспечение этих систем функционирует в реальном масштабе времени и имеет модульную структуру. Программы-модули рассчитаны на упрощенное обслуживание при управлении всеми функциями производства: изготовлением деталей, транспортированием через цеха, незавершенным производством и производственными затратами. При внедрении такой системы фирма получает основу, на которой может быть создана ГПС, реально повышающая эффективность производства. ГПС, не оснащенная автоматизированной системой управления и контроля, может работать с огромной производительностью, приводящей к незавершенному производству и несоответствию производственных запасов потребностям производства.
Фирма ’’Систайм” предлагает системы для небольших и крупных предприятий. Эти системы обеспечивают планирование и управление производством с помощью ЭВМ, а также сбор и подготовку информации о состоянии производства в
реальном масщтабе времени. В состав системы SYSIMP могут включаться 13 программ-модулей, в том числе обеспечивающих управление транспортированием деталей и приобретением товаров производственного назначения, составление номенклатуры материалов, планирование производства, управление незавершенным производством и прогнозирование.
Так, например, модуль планирования производства включает восемь программ. Эти программы позволяют пользователю определить последовательность технологических операций, необходимых для обработки некоторой детали. Модуль, отвечающий за номенклатуру исходных материалов, объединяет все детали, необходимые для сборки одного узла. Такое объединение может быть разбито на подгруппы деталей, необходимых для сборки подузлов, из которых впоследствии будет собран целый узел.
В состав программы-модуля, обеспечивающего управление незавершенным производством, входят девять программ. С помощью этих программ обеспечивается весь цикл управления незавершенным производством, начиная от формирования маршрутной карты и технологических карт, в которых указывается время исполнения заказа. В состав этого модуля также входят программы коррекции незавершенного производства, программы индикации запаздывающих технологических операций и операций, выполняемых с опережением по отношению к производственному графику, а также программы учета объема этих операций. На основе такой информации подразделение, отвечающее за управление производством, имеет возможность легко скорректировать производственный график, с тем чтобы исключить узкие места в технологической цепочке. В состав этого же модуля также входит программа учета фактического объема незавершенного производства, производственных затрат и времени, затрачиваемого на исполнение технологических операций.
Производственное планирование является лишь одной из функций автоматизированного производства, управляемого от ЭВМ. Тем не менее, нереально создавать ГПС до внедрения системы производственного планирования. При разработке системы управления ГПС первым необходимым этапом является идентификация всех функций этой системы, которые подлежат управлению. Функции должны быть распределены по модулям, при этом модули, реализующие наиболее существенные функции, могут использоваться в системе управления малыми ГПС. По мере развития таких ГПС или по мере накопления производственного опыта в систему управления могут вводиться дополнительные модули. Кроме того, при использовании модульной концепции упрощаются разработка и корректировка системы управления.
В простейшей системе в функцию ЭВМ входит обеспечение управления последовательностью технологических операций. После выбора для робокара технологического маршрута осуществляется ввод управляющих программ в устройства ЧПУ станками и роботами. Перемещение робокара по технологическому маршруту контролируется с помощью собственной бортовой ЭВМ. В такой системе для обеспечения пуска каждого станка или робота по управляющей программе требуется управляющая ЭВМ. Выбор соответствующей управляющей программы производится на основе сигналов от датчиков, например, от бесконтактных или конечных выключателей, установленных в автономном производственном модуле. Таким образом, управляющая ЭВМ здесь выполняет функции центрального устройства управления последовательностью технологических операций.
Введение подобного производственного модуля в состав ГПС, включающую в себя развитую систему управления, осуществляется по иерархическому принципу, по которому эта систему построена. Аппаратное обеспечение системы управления предусматривает использование интерфейсных устройств, обеспечивающих обмен данными между устройствами ЧПУ (типа CNC) станками и другими производственными установками и ЭВМ, в том числе передачу управляющих программ в устройства ЧПУ станками и передачу команд в систему управления автоматизированным складом, например, с указанием наименований деталей, которые требуется доставить на производственный участок, и последовательности их доставки (рис. 16.2).
Для достижения эффективной работы ГПС управляющая ЭВМ должна контролировать работу гибких производственных модулей, находящихся в составе этой системы. Кроме того, эта ЭВМ должна обладать функцией прогнозирования для обеспечения подготовки робокара, направляемого к определенному станку, который, как запланировано, первым должен завершить свой цикл обработки, а также для обеспечения поготовки инструментальной оснастки и необходимых спутников. Например, базовые модули программного обеспечения в системе управления, разработанной фирмой ’’Систайм”, предусматривают подготовку управляющих программ для станков с ЧПУ типа CNC и для роботов, подготовку данных на инструментальную оснастку, управление сменой инструмента, идентификацию приспособлений-спутников, управление станочными приспособлениями, транспортировку и календарное планирование производства.
Кроме того, должны быть предусмотрены связи, обеспечивающие совместимость различных протоколов системы управления робокарами и системы управления автоматизирован-
Рис. 16.2. Структурная схема локальной сети управления для ГПС: 1 — резервная ЭВМ системы централизованного управления; 2 — основная ЭВМ системы централизованного управления; 3 — процессоры для устройств ЧПУ типа CNC; 4 — инструментальные магазины на инструментальном участке; 5 — станки снабженные инструментальными магазинами; б — разметочная машина; 7 — транспорт инструментов; 8 — транспорт спутников; 9 — терминальное устройство; 10 — установка для промывки деталей; 11 — контрольно-измерительная установка;
12 — устройство ЧПУ типа CNC
ным складом. При этом нужно учитывать наличие прямых каналов для связи ЭВМ, обслуживающих САПР, систему подготовки управляющих программ, систему материально-технического снабжения и заказов на поставки, с центральной ЭВМ. ЭВМ, обслуживающие САПР и систему подготовки управляющих программ, как правило, имеют существенные отличия от ЭВМ, предназначенных для реализации других задач. Поэтому прямая передача управляющих программ от такой ЭВМ в устройство ЧПУ обычно не применяется. В таких случаях передача управляющих программ может осуществляться через модем по телефонному каналу в центральную ЭВМ или может производиться их запись на магнитные диски. Стыковка с центральной ЭВМ других средств управления во многих случаях также оказывается дорогостоящей. Однако в будущем положение здесь может измениться. Конечно, в период пуска 282
системы управления ГПС может оказаться целесообразным производить запись управляющих программ на перфоленте и хранить их у станка.
Однако базовые управляющие программы должны храниться в памяти центральной ЭВМ и по запросу передаваться в устройства ЧПУ типа CNC. Возникает также необходимость передачи откорректированных на станке управляющих программ в обратном порядке — от устройства ЧПУ типа CNC в центральную ЭВМ, что позволяет скорректировать файл управляющих программ. Управляющая программа на обработку детали имеет свои номер и наименование. Для вызова управляющих программ необходим ввод в центральную ЭВМ данных о номере технологической операции и станках, на которых будет производиться обработка соответствующих деталей. Хранение управляющих программ для роботов производится также в памяти центральной ЭВМ. Однако, поскольку каждый робот обычно закрепляется за одним станком и обладает меньшими функциями по сравнению с последним, для управления им требуется небольшое количество управляющих программ. Задача управления усложняется в случае, когда робот оснащается несколькими сменными схватами для обеспечения возможности загрузки различных деталей и смены инструмента или кулачков зажимного патрона. В сварочном и сборочном производстве по отношению к роботам применяется принцип взаимозаменяемости на случай выхода из строя. Поэтому для каждого робота здесь требуется большее количество управляющих программ. При этом должно быть указано, какая управляющая программа предназначается для выбранного робота.
Подготовка управляющих программ для станков с ЧПУ и роботов может выполняться вне цеха. Однако в настоящее время подготовка управляющих программ в большинстве случаев осуществляется непосредственно у станков. Кроме того, подготовленные управляющие программы требуют отладки с целью оптимизации параметров при обработке первых деталей из партии. В результате отладки управляющих программ на станке могут образоваться дополнительные бракованные детали. Поэтому необходимо иметь возможность корректировки управляющих программ на станке или у робота. Результаты корректировки должны передаваться обратно в библиотеку управляющих программ, хранящихся в памяти ЭВМ. Из этого вытекает необходимость в средствах обмена данными между центральной ЭВМ и устройством управления гибким производственным модулем.
Значительно более сложной является система управления базой данных на инструмент. Дополнительно к данным, подробно описывающим характеристики инструмента, и коррек-
циям на инструмент (см. гл. 8) в систему должны вводиться данные о положении каждого инструмента и предполагаемого ресурса его стойкости (в часах или по износу). В ряде случаев требуется индивидуальная идентификация каждого инструмента, поскольку в случае использования двух одинаковых инструментов необходимо отличать инструменты изношенные от неизношенных, а также различать их по степени износа.
Безусловно, уровень сложности такой системы зависит от ряда функций, таких, как возможности автоматической смены инструмента. В случае если такая смена инструмента предусмотрена, то на степень сложности системы управления оказывают влияние конструктивные особенности устройства смены инструмента. Например, управляющая программа, в которой предусматривается смена инструмента непосредственно в шпинделе (этот метод применяется на большинстве многоцелевых станков с ЧПУ типа CNC), отличается от соответствующей программы для смены инструмента, находящегося в магазине, расположенном на станке. В последнем случае не все устройства ЧПУ типа CNC располагают функциональными возможностями для обеспечения автоматической смены инструмента.
Во взаимосвязи с системой управления сменой инструмента находится система контроля. Устройство управления в этой системе производит опрос устройства ЧПУ с целью получения данных о состоянии элементов станка, например о перегрузке шпинделя, закрытии ограждения и состояния инструмента. Управление приспособлениями аналогично управлению сменой инструмента, за исключением необходимости учета состояния системы управления вперед на один цикл. Система управления сменой приспособлений должна быть связана с системой управления сменой инструмента через центральную ЭВМ. Центральная ЭВМ обеспечивает направление деталей, спутников, инструмента и приспособлений по соответствующим маршрутам.
Для идентификации спутников и интерпретации результатов идентификации требуется специальная система, поскольку устройства ЧПУ типа CNC не располагают такими функциональными возможностями. Безусловно, такая система должна отличаться высокой помехозащищенностью, обеспечивающей возможность эксплуатации в цеховых условиях. Для идентификации может применяться кодирование отверстиями и пазами в двоичной системе или использоваться специальное кодирование магнитными метками. После считывания кодов специальным датчиком эта информация передается в устройство ЧПУ типа CNC.
Управление транспортной системой в целом выполняется от центральной ЭВМ. Управление робокарами, обслуживаю- 284
щими маршруты, которые определяются проложенным под полом цеха индуктивным кабелем, осуществляется с помощью бортового устройства управления. Маршруты робокаров в смену, в которую работа производится по принципу безлюдной технологии, почти неизбежно отличаются от маршрутов, действующих в другие смены, при этом центральная ЭВМ анализирует очередность заявок от производственных установок и возможность их выполнения. На основе результатов анализа принимается соответствующее решение. При аккумуляторном питании робокаров программируются интервалы, через которые должна проводиться подзарядка аккумуляторов.
Для определения производительности за смену (за сутки, месяц и год) применяется программный модуль, обеспечивающий сбор данных о количествах изготавливаемых на станках деталей. Сбор этих данных выполняется путем подсчета фактических и моделируемых циклов. Полученные данные необходимы для оценки производительности и определения путей повышения эффективности ГПС. Для контроля функционирования производства требуются также средства акустической и визуальной сигнализации о поломке станков.
В дополнение к функциям, реализуемым указанными программными модулями, ряд функций выполняется центральной ЭВМ. Так, центральная ЭВМ обеспечивает загрузку управляющих программ в устройства ЧПУ типа CNC, пересылку данных на инструмент в устройства смены инструмента, передачу инструкций оператору-наладчику, непосредственное управление станками с ЧПУ в покадровом режиме.
Основное требование при передаче управляющих программ заключается в достаточном быстродействии центральной ЭВМ при манипулировании с файлами. Необходимость высокого быстродействия ЭВМ объясняется тем, что эта ЭВМ обеспечивает контроль содержимого памяти устройств ЧПУ типа CNC, производит очистку этой памяти от управляющих программ, открывает доступ к файлу, в котором хранится нужная управляющая программа, пересылает управляющую программу в устройство ЧПУ по кадрам или по строкам, после чего закрывает доступ к файлу. Центральная ЭВМ также должна обеспечивать управление робокарами и автоматизированным складом в соответствии с производственным графиком. Поскольку программное обеспечение имеет модульную реализацию, аппаратную часть системы управления целесообразно выполнять на основе малогабаритных компонентов. Такой подход обусловлен не только развитием средств микроэлектроники, но также необходимостью обеспечения надежности. Этим объясняется то, что каждая подсистема, как, например, автоматизированный склад, оснащается автономной управляющей ЭВМ.
Аппаратное обеспечение
Рис. 16.3. Структурная схема аппаратного обеспечения системы управления фирмы ’’Манде л ли °:
I — центральный процессор; 2 — постоянное запоминающее устройство; 3 — перепрограммируемое запоминающее устройство; 4 — оперативное запоминающее устройство емкостью 128К байт; 5 — дополнительный блок управления тремя координатами; 6 — блок управления тремя основными координатами; 7 — дополнительный блок ввода- вывода данных; 8 — основной блок ввода-вывода данных; 9 — блок управления гибкими магнитными дисками; 10 — стандартный интерфейс модели RS-232; 11 ~ линии связи с электроавтоматикой станка; 12 — линии связи с датчиками положения рабочих органов станка; 13 — линии связи с приводами подач; 14 — пуль оператора устройства ЧПУ; 15 — канал связи с центральной ЭВМ
Ряд фирм, например ’’Комау”, ’’Манделли”, ’’Окума” и ’’Ямадзаки”, обеспечивают для ГПС поставки комплектных систем управления и станков с ЧПУ типа CNC собственного производства. В Великобритании фирма ’’Нейшинэл инджини- ринг лаборатори” разработала для ГПС пакет программного обеспечения, а фирма ’’Систайм” ~ несколько специализированных систем управления. Фирмами ’’Шиндлер диджитрон” и ’’Мурата машинери” поставляются системы управления автоматизированными складами и робокарами.
Система управления ГПС фирмы ’’Манделли” (рис. 16.3) включает три процессора и устройства памяти, связанные через системную шину с устройствами ЧПУ типа CNC, периферийными устройствами, пультами управления и внешней линией связи. Для управления робокарами, магазином спутников, установкой для промывки деталей, устройством автоматической смены спутников или загрузочными устройст- 286
вами используется модуль-конденсатор. Этот модуль обеспечивает статистическую обработку данных, управление сменой инструмента, диспетчеризацию и контроль, моделирование и возможность редактирования. В пакет программного обеспечения фирмы ’’Комау” входят модули для управления обработкой, планирования, формирования отчетов, программирования обработки на станках, контроля процесса обработки, управления сменой инструмента, связи, транспортирования материалов и управления роботами (рис. 16.4).
Программное обеспечение для ГПС стремятся записывать на языке Фортран, который является эффективным средством, позволяющим реализовать вычислительные операции и выполнять манипуляции с файлами. При управлении ГПС
Рис. 16.4. Элементы системы управления ГПС:
— файл данных о характеристиках станков; 2 — файл данных об управлении инструментом; 3 — файл данных об измерениях; 4 — файл технологических данных об обработке деталей; 5 — буквенно-цифровой дисплей; 6 ~ печатающее устройство; 7 — мини-ЭВМ для ГПС; 5 — программное обеспечение системы управления перемещениями; 9 — программное обеспечение системы управления инструментом; 10 — программное обеспечение системы управления данными измерений; 11 — управление передачей данных; 12 — интерфейсный блок связи с устройством ЧПУ; .13 — память на магнитной ленте; 14 — устройство подготовки управляющих программ на обработку деталей; /5 —пульт управления с индикацией результатов диагностики процесса резания; 16 — устройство коррекции на длину инструмента; 7 7 — пульт с предварительным набором данных для их ввода при неполадках в станке;
18 — устройство управления робокаром; 19 — пульт индикации марш-рута движения робокара; 20 — данные для настройки на технологичес-кую операцию; 21 — многоцелевой станок; 22 “ линейный датчик коор-динат X, У и Z; 23 — измерительный контактный датчик-щуп; 24 —инструментальный магазин; 25 — робокар
используется множество манипуляций с файлами — для передачи управляющих программ, обмена данными с базой данных на инструмент, передачи данных о производственных графиках и т.п. При этом, если на языке Бейсик для считывания данных из файла, записанного на магнитном диске, требуется 19 команд, то для той же операции, реализуемой на языке Фортран, необходимо лишь три команды. В настоящее время язык Фортран в виде варианта Фортран-77 может также применяться для записи программного обеспечения, функционирующего в режиме реального времени.
Тем не менее, в некоторых случаях, например в устройствах управления роботами в гибких производственных модулях, запись программного обеспечения целесообразно выполнять на языке Бейсик. Несколько языков, предназначенных для программирования алгоритмов управления роботами, аналогичны языку Бейсик. После ввода программного обеспечения, записанного на языке Бейсик, в устройство управления пользователю предоставляется возможность выполнения незначительных коррекций. Специалисты фирмы ’’Флимо” разработали на языке Бейсик программное обеспечение для устройств управления роботизированными сборочными модулями. Это программное обеспечение, реализованное на основе восьмиразрядной микроЭВМ, осуществляет управление двумя роботами, конвейером и магазинами.
ЭВМ устройства управления должна обеспечить трансляцию программного обеспечения, записанного на языке высокого уровня, в машинный код. При таком способе программирования требуется большая память. Альтернативой этому способу является использование кросс-ассемблера для компиляции программы на этапе программирования. После проведения компиляции производится передача программного обеспечения из мини-ЭВМ, на которой осуществлялась его подготовка, в микроЭВМ устройства управления, которое обеспечивает реализацию этого программного обеспечения. Хотя разработка программ, входящих в состав такого программного обеспечения, занимает значительное время, их реализация выполняется за короткий временной интервал. Концепция подготовки программного обеспечения на языке высокого уровня с использованием кросс-ассемблера использована фирмой ’’Систайм” при разработке языка программирования в автономном режиме для роботов.
Для централизованного управления в большинстве ГПС применяют мини-ЭВМ модели PDP-11 фирмы DEC (”Дид- житал зквипмент”), поскольку последняя выпускает разнообразные интерфейсные устройства для связи ЭВМ собственного производства с широкой номенклатурой периферийных устройств. ЭВМ фирмы ’’Систайм” полностью совместимы с 288
ЭВМ мод. PDP-11, что обеспечивает совместимость последних с комплектными системами управления фирмы ’’Систайм”. Объем основной памяти типовой мини-ЭВМ, предназначенной для управления ГПС, составляет 512М байт. В качестве дополнительного запоминающего устройства с такой мини-ЭВМ применяются винчестерские диски с объемом памяти 32... 64М байт. В качестве периферийных устройств мини-ЭВМ обычно используют один пульт управления с печатающим устройством и несколько терминальных устройств, размещаемых на инструментальном участке, в зоне наладки и на автоматизированном складе.
В системе управления SCAMP применены две мини-ЭВМ модели 5000Е фирмы ’’Систайм”. На дисплей с цветным экраном выводится производственный график, в котором находят отражение текущие коррекции. На экране дисплея также показывается загрузка каждого станка и отображается его фактическое состояние в процессе работы. У каждой загрузочной станции установлено дисплейное терминальное устройство, на экране которого отображается схема расположения деталей, подлежащих загрузке (рис. 16.5).
Существуют два основных способа защиты системы при выходе из строя управляющей ЭВМ. В некоторых системах, таких, как SCAMP, для указанной цели используют две ЭВМ, функционирующие параллельно. Одна из этих ЭВМ обеспечивает централизованный контроль всей системы. Каждая из этих двух ЭВМ управляет половиной оборудования системы. Однако с целью резервирования при выходе одной из ЭВМ из строя предусмотрена непрерывная коррекция двух баз данных каждой из ЭВМ —• собственной и обслуживающей другую половину. И хотя надежность рассматриваемой системы высокая, тем не менее в ней предусмотрена возможность мгновенного переключения управления соответствующей половины оборудования системы с одной ЭВМ на другую. Такое дублирование функций ЭВМ оказывается дорогостоящим и сложным в реализации. Стоимость системы с дублированием функций управления двумя ЭВМ в 2 раза выше по сравнению со стоимостью обычной системы, в которой отсутствует дублирование. Программное обеспечение у системы с двумя ЭВМ по крайней мере в 5 раз сложнее, чем у системы без дублирования.
Наибольшее распространение получила система с резервированием управляющей ЭВМ. В такой системе все функции управления обеспечиваются одной ЭВМ. При выходе этой ЭВМ из строя в работу вступает резервная ЭВМ. Хотя передача управления от одной ЭВМ другой занимает некоторое время, эта проблема на практике на имеет существенного значения, поскольку ЭВМ обладают чрезвычайно высокой надежностью.
Рис. 16.5. Система SCAMP: на экране дисплея отображается схема расположения на спутнике деталей, подлежащих эагруэке
При наличии в составе ГПС более десяти станков каждая из двух ЭВМ обеспечивает управление половиной этих станков. Если количество станков в ГПС не превышает десяти, то вторая ЭВМ включается в работу только при выходе из строя первой. На практике вторая резервная ЭВМ большую часть времени может быть использована для решения задач, не связанных с управлением ГПС (рис. 16.6).
Теоретически оборудование системы должно быть совместимым. Однако на практике такое оборудование далеко не всегда стыкуется одно с другим. Некоторые устройства ЧПУ не имеют блока связи с центральной ЭВМ верхнего уровня. Для обеспечения такой связи может быть применено дополнительное интерфейсное устройство ’’Практикой”. У многих роботов также отсутствуют аналогичные интерфейсные устройства. В качестве стандартного интерфейсного устройства связи с центральной ЭВМ можно использовать последовательный интерфейс V-24 (RS-232C). В некоторых случаях для преобразования сигналов, поступающих от устройства управления роботом, приходится применять устройство на основе микро-ЭВМ. По мере развития ГПС решение вопросов связи
производственного оборудования с центральной ЭВМ упрощается.
Со стороны аппаратного обеспечения возникает необходимость решения двух задач: во-первых, выбора способа стыковки — с помощью кабелей из бифилярных проводов или оптоволоконных кабелей; во-вторых, выбора способа использования системы — в автономном режиме или путем включения ее в локальную вычислительную сеть. Преимуществом системы, состыкованной с помощью оптоволоконных кабелей, является высокая помехозащищенность. Недостатком оптоволоконных кабелей является значительно более высокая стоимость по сравнению с обычными кабелями.
Стоимость средств оптоволоконной техники в Японии снижается быстрее, чем в других странах. Это обстоятельство привело к широкому распространению в Японии средств оптоволоконной техники. Однако фирма ’’Систайм” считает экономически более выгодным решение проблемы помехозащищенности при использовании обычных кабелей. Кроме того, остается нерешенной проблема исключения в оптоэлектронных системах ошибок, связанных с преобразованием при последовательной передаче данных в двоичный код. Таким образом, рекомендации фирмы ’’Систайм” сводятся к применению обычных экранированных кабелей с оптрон- ными развязками, обеспечивающими помехозащищенность при передаче информации. Безусловно, с удешевлением средств оптоволоконной техники и улучшением характеристик устройств связи положение может измениться. Кроме того, нужно учитывать высокое быстродействие средств оптоволоконной техники и при необходимости использовать это преимущество.
На крупных заводах, например металлообрабатывающих, начинают внедрять локальные сети. Однако в настоящее время локальные сети слишком дороги для большинства заводов. Тем не менее, необходимой функцией управляющих ЭВМ различных ГПС является сбор данных о состоянии других ГПС того же завода. Это позволяет осуществить оптимальное производственное планирование между производственными участками. Следовательно, при разработке ГПС необходимо предусматривать возможность подключения ее управляющей ЭВМ к ЭВМ верхнего ранга, в функции которой входят диспетчеризация и контроль. Кроме того, желательно обеспечить взаимодействие системы производственного планирования с системой управления производством. Однако объединение функций материально-технического снабжения и диспетчеризации может не оправдаться по затратам. Подобные взаимосвязи должны рассматриваться в качестве возможных в перспективе. Между тем необходимо учитывать
«97
Рис. 16.6. Архитектура системы управления фирмы ’’Систайм” для ГПС, включающая связи с САПР и с автоматизированной системой подготовки управляющих программ, системой обработки заказов на закупку и поставку:
— система управления оборотными средствами и система обработки заказов на закупку; 2 — канал связи с ЭВМ фирмы IBM; 3 — материально-техническое снабжение; 4 — устройство передачи данных; 5 — файл промежуточных данных; 6 — процессор для предварительной обработки данных; 7 — производственный план; 8 — устройство ручного ввода данных; 9 — от дисплея; 10 — отчет о выпуске запланированной продукции; 11 — к печатающему устройству; 12 — отчет о выполнении календарного графика и о незавершенном производстве; 13 — линия связи с участком для настройки инструментальной оснастки; 14 . — линия связи с дисплейными терминалами; 15 — модуль управления инструментом; 16 — файл данных об инструменте; 17 — модуль управления приспособлениями; 18 ” файл данных о приспособлениях; 19 — модуль связи с оператором; 20 — линии связи с дисплейными терминалами операторов; 21 — система автоматизированного склада; 22 — от дисплея с цветным экраном; 23 — программа для планирования в диалого-
простоту модема и телефонной линии, используемых в качестве системы связи. Практически все ЭВМ — от микроЭВМ до ЭВМ, устанавливаемых на верхнем уровне, могут быть связаны с помощью собственных интерфейсных устройств RS-232C, модемов и телефонных каналов с другими ЭВМ. Нужно отметить, что скорость передачи данных по телефонным каналам невысока. Поэтому такая система является неприемлемой при передаче очень больших массивов данных, несмотря на то что стоимость передачи данных по телефонным каналам пренебрежимо мала.
Некоторые станкостроители являются сторонниками концепции ГПС, выполняемой на основе интегрированной системы САПР — АСТПП. Системы такого типа обычно несколько проще по сравнению с некоторыми типами САПР, как, например, Сотри-Vision, и обеспечивают непосредственное управление обработкой деталей. Фирма ’Тойода машин тул” проводит разработку системы такого типа. В этой системе предусмотрены возможности определения геометрических параметров поверхностей, ввода технологических данных, разделения технологического процесса на различные технологические операции, подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ типа CNC, выбора соответствующих приспособлений и инструментальной оснастки, связи с автоматизированной системой управления производством с помощью ЭВМ. Очевидно, что такая система является системой будущего. После снижения стоимости и габаритных размеров больших ЭВМ указанная система станет достаточно мощной и экономичной (рис. 16.7).
Аппаратное и программное обеспечение системы управления отличается сложностью. Однако стоимость его не высока, и для обслуживания такой системы у пользователя не возникает трудностей. Обычно стоимость комплекта аппаратного и программного обеспечения системы управления составляет
вом режиме; 24 — описание деталей; 25 — файл данных календарного графика; 26 — файлы данных на детали; 27 — модуль управления последовательностью операций; 28 — устройство управления перемещением робокаров; 29 — анализ статистических данных; 30 — файл статистических данных; 31 — сбор статистических данных; 32 — регистрация событий; 33 — отображение событий в динамике на дисплее с цветным экраном; 34 — регистратор событий и состояний; 35 — устройство передачи данных с управляющих программ; 36 — линия связи с САПР и с автоматизированной системой подготовки управляющих программ; 37 — библиотека управляющих программ; 38 — управление группой станков; 39 — средства обслуживания библиотеки управляющих программ; 40 — линии связи со станками, управляемыми от центральной ЭВМ; 41 — линия связи со специализированным устройством управления робокарами
Рис. 16.7. Концепция объединения САПР с автоматизированной системой технологической подготовки производства (CAD/CAM) для ГПС:
А — конструкторский отдел; Б — технологический отдел;
В — задачи, решаемые с помощью автоматизированной системы; Г —• цех; 1 — базовая концепция на изделие;
— функциональная разработка и анализ; 3 — проектирование изделий (разработка чертежей) ; 4 — проектирование деталей (разработка чертежей) ;
— эскизное проектирование геометрии деталей (разработка чертежей) ; 6 — определение технологической последовательности обработки; 7 — выбор станков; 8 — выбор зажимных приспособлений; 9 — проектирование зажимных приспособлений (разработка чертежей) ; 10 — выбор инструмента; 11 — проектирование инструментальной оснастки (разработка чертежей) ; 12 — определение режимов обработки; 13— определение
траекторий инструмента; 14 — расчет машинного времени;
— формирование данных управляющей программы;
— обработка в режиме централизованного управления от ЭВМ
...20 % от общей стоимости ГПС. Вместе с тем система управления ГПС позволяет увеличить производительность на 50... 100 % по сравнению с автономными станками с ЧПУ типа CNC. Эта система обеспечивает эффективное управление целым заводом при сокращении объема незавершенного производства, циклов исполнения заказов и обслуживающего персонала. С другой стороны, собранная системой инфор-
мация помогает улучшить ее характеристики. Очевидно, нецелесообразно пытаться сократить производственные затраты путем приобретения системы управления, не соответствующей условиям производства. Также нецелесообразно игнорировать перспективы развития системы управления, которые предполагают интеграцию этой системы с другими производственными системами.
ГЛАВА 17. ГПС КАК ЕДИНАЯ СИСТЕМА
Различия между обычным производством и ГПС столь велики, что перед тем как приступать к оснащению производства такой системой, должна быть проведена значительная подготовительная работа. Однако, несмотря на то что на первом этапе может быть применена ГПС с ограниченными функциями, конечной целью автоматизации является интеграция всех функций производства— от материально-технического снабжения до реализации конечного продукта. При разработке ГПС никогда не следует упускать из виду конечную цель. При установке даже небольшого количества автоматизированного оборудования должны быть предприняты все меры, чтобы его эффективность оказала положительное влияние на все производство. Конечно, новое оборудование, устанавливаемое на участках, на которых имеются активные противники автоматизации, не окажет влияния на повышение производительности предприятия фирмы.
Следовательно, здесь первым шагом является выбор стратегии организации производства. Для крупных фирм в качестве такой стратегии может быть выбрана необходимость автоматизации производства всей продукции на всех заводах. Преимущества от завода с высокоэффективным производством, доля которого в общем объеме поставок продукции фирмы составляет 3 %, оказываются незначительными, поскольку 97 % объема поставок приходится на долю завода с неавтоматизированным, производством. Такие преимущества особенно теряются при производстве на обоих заводах одинаковых деталей. Очевидно, что подобной ситуации следует избегать. ГПС должна быть согласована с действующей стратегией руководителей производства. При этом преимущества ГПС в отношении общего управления производством окажутся очевидными. В крупных концернах администрация должна быть готова к значительной реорганизации связей между заводами и к неизбежным социальным проблемам, которые такая реорганизация несет с собой (рис. 17.1).
Конечно, если на предприятии имеется лишь опытный образец ГПС, то преимущества последней могут не оказать
Операция 1Операция 75
Операция 1а)Операция 75
I LI I I Ш I Г1 I I II ВГГП Mill (ГГГГГП I
б)
Рис. 17.1. Схема разработки ГПС, объединяющая все этапы производ-ства:
а — тенденция, имеющая место в настоящее время; б — перспективная структура ГПС (в качестве примера выбрана деталь, процесс обработки которой по координатам X, У, Z включает 75 операций) :
1 — ГПС для холодной обработки давлением; 2 — ГПС для механической обработки; 3 — ГПС для сборки; 4 — ГПС для всех операций
значительного влияния на прибыли фирмы. Однако существенным является то, что образцы малых ГПС следует считать экспериментальными, причем каждая фирма должна оценить эффект, получаемый от такой ГПС. Как только принято решение о разработке ГПС, необходимо подобрать производственный участок, на котором эта система обеспечит максимальную эффективность.
Перед разработкой ГПС должен быть проведен тщательный анализ всех аспектов существующего производства. Обширные данные по технологическим процессам, циклам заказов, незавершенному производству, транспортировке и практике производственного планирования должны быть получены на основе наблюдений, а не изучения старых технологических процессов и технологических карт. Исследование запасов деталей на складах и в цехах почти наверняка может показать, что их объем превышает зарегистрированный в документах. Подтверждение такого положения говорит о более настоятельной необходимости внедрения ГПС.
Должны быть проанализированы недостатки производства с точки зрения различных подразделений, отвечающих за поставки, финансирование, материально-техническое снабжение и управление производством. Этот анализ сам по себе не создает поддержки в пользу коренных преобразований со стороны руководителей указанных подразделений, хотя необходимость в таких преобразованиях становится очевидной. Такой анализ обеспечивает вскрытие недостатков производства со стороны других подразделений. Слишком часта специалисты, занятые решением своих проблем, не имеют воз- 296
можности рассмотреть влияние этих проблем на другие подразделения, за исключением задержек в поставках и неудовлетворительного качества изделий.
На каком участке производства следует устанавливать ГПС? Один подход предполагает продвигаться к эффективному внедрению, начиная с самой первой благоприятной возможности, когда требуется введение дополнительных мощностей или необходима модернизация завода. Хотя такой подход может оказаться целесообразным в соответствующих условиях, однако более реалистичным является принцип последовательного внедрения ГПС. С другой стороны, необходимость функциональных преобразований производства осознается с трудом, а преимущества в увеличении производительности автоматизированного производства могут теряться на других участках технологической цепочки.
Во всяком случае, ГПС функционирует в таком интенсивном режиме, что совершенно необходимо обратить внимание на изделия, обработка которых является дорогостоящей. Недорогие изделия, рассчитанные на простую технологию обработки, должны быть выделены для производства вне ГПС или на специализированном предприятии, возможно с применением малой ГПС. Приступать к созданию ГПС, начиная с установки гибкого производственного модуля, дополнительные затраты на который невысоки, целесообразно лишь в том случае, если модернизируемые станки являются устаревшими. При этом имеется в виду, что гибкий производственный модуль, создаваемый на основе таких станков, может рассматриваться в качестве экспериментального и имеет низкую стоимость.
Как отмечалось выше, тщательно проведенный анализ примерно 30 тыс. деталей показал, что из этого количества для ГПС подходят примерно 500 деталей. В конечном итоге из них для ГПС было отобрано 100 деталей. При этом остаются два нерешенных вопроса: каковы возможности применения ГПС для обработки остальных 29 900 деталей и насколько экономически целесообразно для фирмы использование ГПС для обработки этих деталей. На первом этапе создания ГПС следует определить тип продукции, выпуск которой обеспечит максимальную эффективность ГПС, а также тип ГПС, обеспечивающей производство выбранной номенклатуры. После этого может быть проведена разработка ГПС и выбрана оптимальная номенклатура деталей. Однако указанные операции выполняются лишь на начальном этапе разработки ГПС. Для всех других обрабатываемых деталей требуется аналогичная стратегия. Многие детали из заданной номенклатуры могут быть заказаны у других фирм, поскольку дополнительные затраты на модернизацию обо-
29729710 Хартли
297
297
рудования для обработки таких деталей не оправдываются.
Однако, если среднесерийное производство деталей, характеризующееся значительным объемом, предполагает большие дополнительные затраты, но неприемлемо для использования ГПС, то должны быть исследованы конструктивные особенности производственного оборудования и характеристики- технологических процессов. В некоторых случаях исследование позволяет установить, что даже при использовании ГПС требуется слишком большое время на переналадку. Это объясняется конструктивными недостатками производственного оборудования или неудачей оптимизации технологического процесса в целом. В частности, после проведения такого исследования может быть установлено, что один станок, например протяжный или токарный, имеет теоретический коэффициент использования лишь 10...30 %. Это обусловливает экономическую нецелесообразность применения ГПС в данном случае. Однако на фирме могут производиться изделия, обработка которых требует установки подобного станка, если он отсутствует среди действующего производственного оборудования. Такой -станок с низким коэффициентом использования может быть встроен в гибкий производственный модуль.
С другой стороны, изготовление партии деталей может быть передано субподрядчику, который внесет в технологический процесс их производства некоторые изменения. Очевидно, что целью здесь должна быть максимальная окупаемость капитальных затрат, а следовательно, нет причины, по которой следовало бы отказаться от услуг субподрядчиков, если они могут выполнять работу в те же сроки и с тем же качеством, что и ГПС.
В результате проведенного исследования производства формируется план внедрения перспективных технологических процессов. На основе этого плана может быть сделан шаг вперед на пути внедрения ГПС. В планировании внедрения технологических процессов по временной шкале может использоваться различный масштаб, например 2 года, 5 и 10 лет. В дальнейшем эти данные должны постоянно корректироваться, поскольку некоторые технологические процессы, являющиеся оптимальными для производства деталей, могут оказаться не полностью разработанными. Например, не следует отказываться от установки ГПС по причине слишком высокой стоимости видеосистемы, если ГПС обеспечивает эффективную работу производства без использования такой системы. В этом случае включение видеосистемы в состав ГПС может быть произведено на следующем этапе ее развития.
Подобные планы могут показаться невыполнимыми для начальника цеха с мелкосерийным производством, в кото- 298
ром работает не более 50 человек. Однако по этому вопросу начальник цеха может привлечь консультантов или просто сравнить результаты проведенных исследований с характеристиками соответствующих технологических операций. Например, в большинстве случаев начальник цеха может получить удовлетворительные ответы на основе собственных оценок или расчетов на маломощной микроЭВМ. В то же время на большой фирме может быть организован сбор больших массивов данных.
На основе проведенного исследования производства и принятых соответствующих решений о приобретении или разработке ГНС необходимо сформулировать следующие требования к этой новой системе.
Вариантность ^проектная и фактическая). Исследование количества изменений в изделиях, выпускавшихся в прошлом году или ранее, позволяет оценить количество таких небольших корректировок. Утверждения разработчиков выпускаемой продукции или персонала по ее реализации о невозможности увеличения объема производства или внесения существенных изменений в конструкцию должны восприниматься критически. На практике, когда спрос и прибыли изменяются по циклическому закону, подобные утверждения обычно не подтверждаются. Тем не менее, разработка ГПС должна проводиться под определенную номенклатуру изделий. При этом следует обращать особенное внимание на изделия, габаритные размеры которых соответствуют максимальным габаритным размерам станков.
Объем. Персонал, отвечающий за реализацию продукции, может допускать серьезные ошибки в оценке необходимого объема производства. Однако в связи с наличием множества факторов практически невозможно точно оценить объем производства. Следовательно, здесь требуется надежная оценка, которая может быть произведена с учетом накопленного опыта и тенденций в будущем.
Возможность развития. Для развития ГПС необходимы производственные площади, высокий коэффициент загрузки оборудования и точные данные о потенциальных узких местах производства. Поскольку завод может работать в три смены, то увеличение выпуска продукции без снижения простоев, повышения эффективности технологических процессов и ввода в эксплуатацию дополнительного количества станков является не простой задачей.
Степень гибкости. Необходимо информировать разработчиков продукции, администрацию и персонал, отвечающий за реализацию продукции, что на гибкость накладываются ограничения в виде габаритных размеров столов станков и и робокаров, функциональных возможностей роботов и 10* 299
габаритных размеров сборочных конвейеров. Ни одна ГПС не может быть гибкой в абсолютном смысле этого слова: она просто более гибкая по сравнению с обычным производством. Нужно четко представить, какова степень гибкости, и дать ей соответствующую, оценку. Например, в некоторых случаях снижения гибкости при использовании много- бабочных станков может исключить узкие места на производстве. Однако при этом приходится фиксировать межцентровые расстояния для определенных обрабатываемых изделий. В гибких сборочных системах применение загрузочных устройств с операциями типа ’’взять — положить” вместо роботов может значительно снизить стоимость оборудования, поскольку разнообразие обрабатываемых деталей не так велико, а на загрузочной позиции всегда выполняется одна и та же базовая операция.
Требования к персоналу ставятся, начиная с проектировщиков и администрации цеха до конкретных рабочих, от которых требуется более высокая квалификация, чем ранее. Следовательно, обучение персонала необходимо начинать с самого начала, как только принято решение о создании ГПС, при этом должна быть образована группа проектировщиков, а весь персонал цеха информирован о разрабатываемой ГПС.
К моменту окончания технического проекта и принятия решения об установке ГПС должна фунционировать эффективная система производственного планирования (см. гл. 16). Кроме того, могут быть определены производственные участки, наиболее пригодные для оснащения ГПС. После этого должна быть начата последовательная поэтапная разработка рабочего проекта ГПС. На первом этапе устанавливаются цели внедрения ГПС. Эти цели должны быть долговременными и зафиксированы для каждого этапа разработки с тем, чтобы исключить возможность сокращения разработчиками сложных задач.
Существует этап реализации, на котором исследуются различные возможности и предлагаются соответствующие решения. После этого проводится этап проектирования и, наконец, этап реализации. На ранних этапах разработки может ощущаться некоторый недостаток опыта и квалификации. Для определения оптимального варианта встраивания в ГПС находящихся в эксплуатации станков с ЧПУ типа CNC требуется большое количество данных.
Одним из простых решений, позволяющих обеспечить стыковку станков с ЧПУ типа CNC с центральной мини-ЭВМ модели PDP-11/24, является применение интерфейсного блока ’’Практикой”. Этот интерфейсный блок позволяет обеспечить стыковку с центральной мини-ЭВМ двух станков зоо
с ЧПУ, при этом производится оценка производительности. Такой подход был использован фирмой ”Лейланд-бас” при разработке проекта ГПС. При разработке ГПС, начиная с САПР, были созданы внешние базы данных, позволяющие осуществлять подготовку управляющих программ на основе данных ЭВМ.
Большинство фирм организовали группы разработчиков, которые обладают различной квалификацией в проектировании и реализации ГПС. Однако применение ЭВМ для разработки ГПС не во всех случаях оказывается приемлемым решением. Например, фирма ZF пришла к выводу, что при разработке ГПС, предназначенной для производства зубчатых колес, для выполнения обычных расчетов требуется ввод в ЭВМ слишком большого количества исходных данных. Поэтому было выбрано 12 деталей-эталонов и разработка системы была проведена неавтоматизированными методами. Конечно, фирма располагала большим опытом и накопила значительный объем информации по зубообработке. Это помогло установить несоответствие между выбранными эталонами и другими зубчатыми колесами, предназначенными для обработки (рис. 17.2).
В любом случае до начала исследования возможности реализации должно быть выбрано семейство деталей. Выбор производится с учетом максимальной эффективности и технологичности производства. В самом деле, применение групповой технологии целесообразно для классификации всех выпускаемых изделий. На первом этапе необходимо установить следующую последовательность решаемых проблем.
Какое количество различных деталей планируется обрабатывать на каждом станке? Например, предполагается ли обрабатывать детали из одного и того же материала и имеют ли эти детали общую форму или подбор деталей ограничивается лишь габаритными размерами?
К чему приведет частичный отказ системы? Сколько времени станок должен находиться в состоянии простоя или каково его ожидаемое время простоя при наладке до пуска по программе?
Какое количество информации необходимо? Какое количество информации по простоям (станок с ЧПУ работает, но резание отсутствует и т.п.) в дополнение к данным, получаемым от мониторов, нужно принять и обработать?
Когда планируется установка ГПС? Какое количество этапов разработки намечается? Когда начнется обучение персонала?
Запланированы ли расходы на перспективное развитие (не только увеличение мощностей, но также использование новой технологии) ? Например, часть оборудования при уста-
Рис. 17.2. Стратегия при проектировании ГПС:
1 — цели фирмы; 2 — незавершенное производство; 3 — время реализации заказа (от оформления контракта до начала поставки продукции); 4, 20 — себестоимость продукции; 5 — выбор стратегии производства; 6 — внутрипроизводственные сокращения: 7 — труд основных и вспомогательных рабочих; S — несоответствие; 9 — гибкость; 10 — пересмотр концепции организации производства; 11 — рынок сбыта; 12 — исследование "живучести” выпускаемой продукции; 13 — определение сходства перспективных изделий; 14 — оценка дополнительных требований; 15 — разработка рекомендаций ~ объемы производства и изменчивость изделий; 16 — прогноз рыночной конъюнктуры 5 лет; 17 — потенциальная способность к расширению; 18 — этап реализации; 19 — технико-экономический анализ; 21 — объемы производства; 22 — операции загрузки деталей — сравнительная оценка; 23 — совершенствование использования материалов; 24 — классификация по технологическим семействам; 25 анализ деталей; 26 — совершенствование использования инструмента; 27 — изменения конструкции; 28 — сложные изменения в станках; 29 — габаритные размеры, последовательность технологических операций, требования к точности заготовок; 30 — разработка концепции; 31 — варианты; 32 — первый сорт; 33 — автономные производственные установки; 34 — объединение в систему; 35 — предлагаемая концепция; 36 — представление к утверждению; 37 вероятные прибыли и затраты; 38 — масштаб времени и ресурсы; 39 станки, транспортирование материалов, технические требования к функциональному управлению, технологический процесс, качество; 40 — станки, установка обрабатываемых деталей, устройства управления, контроль инструмента, текущий контроль
новке ГПС может обладать ограниченными функциональными возможностями, однако в дальнейшем зти ограничения могут быть сняты. Каковы затраты на оборудование с полными функциональными возможностями, на интегрирование с другими ГПС и с центральной ЭВМ? (рис. 17.3).
Как только начата реализация, необходимо рассмотреть
вопрос о финансировании разработки ГПС. Сокращение незавершенного производства почти неизбежно оправдывает затраты на ГПС и должно рассматриваться в качестве основного источника окупаемости капитальных затрат. Это не только облегчает получение одобрения правления фирмы, но также концентрирует внимание разработчиков на использовании одного из основных преимуществ ГПС. В одном случае установка ГПС сокращает запасы материалов на 30 %, незавершенное производство на 90 %, запасы готовых изделий на 65 %. В результате сокращения запасов материалов чистые капиталовложения снижаются на 40 %.
При разработке ГПС практической целью является возможность единичного производства, поскольку в перспективе изготовление изделий в ГПС должно начинаться без задержки непосредственно после получения заказа, а для выполнения заказа отводится минимальное время, во многих случаях
Рис. 17.3. Граф функционирования ГПС:
1 — незагруженная тележка; 2 — загруженный спутник; 3 — заготовка, доставляемая к месту обработки; 4 свободный спутник; 5 транспортирование; 6 — использованный спутник; 7 — обработанная заготовка; 8 — неиспользованный спутник; 9 транспортирование заготовок к производственным установкам; 10 — позиция 'загрузки-разгрузки; 11 — разгрузка станка; 12 все технологические операции выполнены; 13 — обработка; 14 станок и позиция загрузки-разгрузки заготовок не принимают; 15. транспортирование после обработки; 16 — обработка закончена; 17 — обработка полностью завершена; 18 — транспортирование заготовок к выходу; 19 выход; 20 поступление заготовок в ГПС; 21 — новые заготовки; 22 — загрузка; 23 — заготовки; 24 — тележка; 25 — спутники, устанавливаемые на станок; 26 — спутники, снимаемые со станка; 27 — станок и позиция загрузки- разгрузки
менее одних суток. Хотя в настоящее время такие возможности и нереальны, однако к ним нужно стремиться в будущем.
При внедрении ГПС на своих заводах фирма ”Ролс-Ройс” приняла концепцию единичного производства. При этом специалисты фирмы рассчитывают на окупаемость капитальных затрат на автоматизацию завода за счет экономии на оборотных фондах в течение 12 мес. При внедрении ГПС обычно стремятся достичь сокращения оборотных фондов на 50 %, уменьшения циклов выполнения заказов на 50 % и снижения затрат на обработку деталей на 20 %. Если указанные цели достижимы, то; ГПС считается экономически эффективной.
Моделирование. После выбора технологического семейства деталей и проведения детальной планировки цеха с расположением станков следует провести моделирование, которое позволит оценить достижимую эффективность. Для моделирования ГПС применяют два основных типа языков программирования. Первый позволяет произвести описание дискретных событий тремя этапами, второй — двумя. При трехэтапной системе на первом этапе устанавливают заданную частоту генератора. На втором этапе осуществляют сканирование всех действующих функций и определяют функции, подлежащие в это время полной реализации. На третьем этапе производят сканирование событий и вводят возможные события. В двухэтапной системе второй и третий этапы объединяют в один. К трехэтапным системам относятся язык ECSL (язык моделирования и расширенного управления) и язык SEE- WHY. К двухэтапным системам принадлежат языки моделирования GPSS и SLAM-II.
При моделировании также находят применение графические дисплеи с динамическим отображением информации. Однако недостатком таких систем являются значительные затраты времени на подготовку данных. Кроме того, предпочтительнее выводить на экран дисплея фактические результаты, а не сглаженные данные в графическом виде. В случае сложных вычислительных операций целесообразно применять язык GRASP. В состав этого языка входит библиотека стандартных программ для описания различных поверхностей, в том числе для описания траекторий рабочих органов роботов. Применение машинной графики при моделировании расширяет возможности этого языка, что, в свою очередь, будет способствовать увеличению диапазона использования машинной графики.
Самым простым способом моделирования работы ГПС является использование многоканальной системы массового обслуживания, как, например, CAN/Q или CMS. Система моделирования CAN/Q позволяет оценить возможности ГПС в 304
Рис. 17.4. Связь средстр моделирования с показателем сложности идетализации модели:
А — модели с образованием сети очередей; Б — методы модульного моделирования; В — модели с использованием языка моделирования;
Г — модели имитации функционирования системы части обеспечения заданного объема производства деталей и установить адекватность транспортной системы. Для детальной проработки равномерности загрузки станков и подробного анализа ГПС целесообразно использовать пакет программного обеспечения для моделирования (рис. 17.4).
Система CAN/Q была применена на первых этапах разработки проекта системы SCAMP. Моделирование показало, что если ожидаемый коэффициент использования токарных станков находится на уровне примерно 85 %, то коэффициент использования зубошлифовальных станков, станков для снятия заусенцев и другого вспомогательного оборудования находится в пределах 13...47 %, что совершенно неудовлетворительно. С помощью моделирования также было установлено, что узким местом в ГПС является зубообрабатывающий станок и что в ГПС будут обрабатываться 42 партии деталей. Однако система CAN/Q не дает возможности моделирования влияния поломок оборудования и небольших перерывов в работе на эффективность ГПС (табл. 17.1).
Программа моделирования была записана на языке GPSS, при этом были введены следующие данные:
описание деталей, последовательность технологических операций, время наладки (10 мин), время обработки и характеристики соответствующих альтернативных станков;
длина и производительность различных участков конвейера и его скорость (3 м/мин);
условия ввода обрабатываемых деталей;
максимальное количество спутников-в ГПС (200 шт.);
размер партий деталей (в среднем 100 шт.) и частота транспортирования (25);
17.1.'Результаты, полученные при различных методах моделирования
Модель
Участок станков •(№ станка)
Число позиций спутника
Поломки
Выходные дан-
1 2
3 4
5 6
7 8 9
10 11
нь
произ- води- тель- ность в 1 ч, шт.
te
производите ль-
ное время, мин
Сеть -------_9563
очере-———___9861
дей
Язык————_4Нет11345
высо- ——— 4,.11245
когот4”ИЗ45
уров-———_2”11444
ня для ————2ВНР-85 %97—
модуль- ———2ПСЗ9249
НОГО моделирования
Упро- ——2Нет12249
щенный ————2ПСЗ10151
язык
моделирования
ВНР вероятность надежной работы; ПСЗ — по случайному закону.
количество устройств для установки и загрузки.
Первый цикл моделирования выявил в ГПС недостаточное число спутников, которое было увеличено до 400 шт., и, кроме того, выполнен ряд других корректировок. Результаты моделирования показали более высокий коэффициент использования нескольких станков. Например, значения коэффициента использования для токарных многоцелевых станков №1 и №2 были увеличены с 78,9 до 97 % и с 16,2 до 95 % соответственно, горизонтального зубофрезерного станка — с 45 до 84 %, круглошлифовального станка — с 32 до 60 %, протяжного станка — с 16 до 42 %.
Конечно, на подготовку данных для моделирования и на его процедуру требуется много времени. Поэтому при небольшой ГПС затраты на моделирование могут не оправдаться. Для такой системы более оправдано неавтоматизированное планирование или математическое моделирование с использованием языка CAN/Q.
Альтернативный подход был предложен английской фир-
мой NEL (г. Ист-Килбрайд). Разработанная этой фирмой система управления включает пакет программ, записанных на языке Фортран. Это программное обеспечение позволяет проводить моделирование наряду с выполнением функций управления. Реализация этого программного обеспечения осуществляется с помощью автономных процессоров мультипроцессорного устройства. В этом устройстве вспомогательные процессоры подчинены одному центральному процессору, которые обслуживает входы-выходы устройства и осуществляет манипуляции с массивами данных. В состав программного обеспечения входят следующие программные модули:
производственного планирования, которое выполняется оператором в диалоговом режиме (данные, отражающие состояние цехового оборудования и выводимые на экран дисплея, автоматически корректируются в реальном масштабе времени. Выводимый на экран производственный график рассчитан на 4 ч работы. На экране также указываются обрабатываемые в соответствии с этим графиком детали);
обработки промежуточных данных, получаемых от цехового оборудования;
управления ГПС, интерпретирующий данные производственного графика в управляющие программы, на основе которых реализуются функции цехового оборудования и координатные перемещения, в том числе осуществляется транспортирование деталей;
транспортирования деталей, который обеспечивает моделирование всех функций цехового оборудования.
Рассмотренная система, как и некоторые другие системы управления, обеспечивает моделирование в соответствии с требованиями пользователя. Такой подход сокращает время и стоимость подготовки программного обеспечения.
Во всяком случае, после проведения базового моделирования целесообразно приступить к заказу нового или модернизации действующего производственного оборудования. Это, в свою очередь, приведет к возникновению реальных проблем. Первая проблема заключается в невозможности в большинстве случаев поставки станкостроительными фирмами комплектной системы. Кроме того, во многих случаях конструкции станков этих фирм даже не соответствуют требованиям ГПС. Могут отсутствовать интерфейсные устройства, а также средства автоматической смены инструмента во время обработки. Кроме того, вспомогательное оборудование может оказаться не соответствующим техническим требованиям. Могут возникать проблемы совместимости между станками, изготовленными различными фирмами. Следовательно, в большинстве случаев нецелесообразно заказывать
:. 17.5. Календарный график разработки и установки производственного оборудования:. 17.5. Календарный график разработки и установки производственного оборудования
:. 17.5. Календарный график разработки и установки производственного оборудования
:. 17.5. Календарный график разработки и установки производственного оборудования
разработку проекта ГПС станкостроительной фирме. Альтернативный подход предусматривает приглашение консультантов по производственным проблемам, или передачу заказа на разработку аппаратной и программной частей системы управления электронной фирме, или, наконец, обучение собственного персонала. Принятие любого альтернативного подхода требует наличия квалифицированного руководителя проекта, который мог бы координировать работу различных групп специалистов.
Хотя на разработку ГПС требуется много времени (6 мес.), для ее реализации должен быть составлен жесткий календарный график (рис. 17.5) . Каждый этап работ, выполняемый в соответствии с этим графиком, должен быть согласован со всеми исполнителями. Все намеченные работы должны быть реализованы практически, а не оставлены в качестве целей на бумаге. Исследования, проведенные фирмой ’’Ингерсолл инджиниринг”, показали, что 40 % преимуществ ГПС достигается в пределах 6 мес работы, другие 20 % — в следующие 12...18 мес и остальные — после ввода в действие перспективного производственного оборудования. Причиной быстрого достижения преимуществ ГПС является выявление ее многих слабых сторон в процессе разработки, при этом в ГПС подлежат корректировке практические методы управления производством (рис. 17.6).
Внедрение разработанной ГПС будет способствовать повышению эффективности работы фирмы в целом. Однако соответствующие преимущества ГПС могут быть потеряны, если допущены ошибки при проектировании, или оказывается невысокой производственная дисциплина и используется неудовлетворительная технология. Существенное значение имеет проработка в процессе проектирования всех деталей ГПС. Вместе с тем ГПС должна разрабатываться не в изоляции, а как составная часть единого производственного процесса.
Таким образом, по окончании первого этапа проектирования должны быть разработаны соответствующие концепции ГПС для других стадий производства. При этом следует стремиться к достижению автоматизации полного производственного процесса — от начала до конца. Если производственный процесс не рассматривать как единое целое, а представлять в виде отдельных частей, которые в дальнейшем объединяются в единую технологическую цепочку, то связи между этими частями оказываются участками, на которых теряется эффективность ГПС. Безусловно, не все преимущества, которыми располагает обрабатывающая ГПС, реализуются в ГПС других типов.
К общим преимуществам ГПС любого типа относятся:
Рис. 17.6. Решающие этапы в реализации ГПС:
А — освоение капитальных затрат на уровне 20 % и получение прибылей на уровне 40 %; Б — установка и пуск ГПС; В — критический период движения ликвидности, необходимые для гарантии получения прибылей в минимально возможный срок; Г — освоение капитальных затрат на уровне 100 % и получение прибылей на уровне 60 %; Д — начальный этап разработки и реорганизации; Е новые концепции транспортирования, обеспечивающие все необходимые манипуляции с деталями; Ж — установка оборудования ГПС; 3 — приемка ГПС и увеличение объема производства; 1 — затраты на единицу продукции; 2 - прибыли; 3 — капитальные затраты
высокий коэффициент использования производственного оборудования, малые сроки циклов выполнения заказов, сокращение запасов материалов и численности обслуживающего персонала. В настоящее время открываются широкие перспективы внедрения ГПС в производство, эффективность которого будет соответственно повышаться. Если не использовать этот путь автоматизации, то теряется множество преимуществ, связанных с совершенствованием производства.
ГЛАВА 18. ОБУЧЕНИЕ:
ИЗМЕНЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ СПЕЦИАЛИЗАЦИИ
Внедрение ГПС вводит нас в совершенно новый мир средств производства. Поэтому обучение станет со временем основным аспектом любой производственной системы. Каждому, кто по роду своей работы так или иначе связан с ГПС, вплоть до управляющего производством, придется доучиваться или переучиваться. Чтобы процесс подготовки кадров для ГПС проходил успешнее, каждый участвующий в нем должен стремиться достичь конкретных результатов.
В настоящее время основные требования к руководству состоят в достижении им достаточно высокого, уровня осведомленности в области ЭВМ, понимании возможностей резкого повышения производительности при внедрении ГПС и необходимости тщательного планирования для реализации таких очевидных преимуществ. Если высшее руководство продолжает считать 10%-ную прибыль довольно значительной, оно не сможет мобилизовать руководство среднего звена на получение от ГПС максимальной отдачи. Не проявит оно готовности и к тому, чтобы затратить 5—30 тыс. ф.ст. на исследование по практической реализации ГПС. Если же у высшего руководства через терминал ЭВМ (а такие терминалы скоро, станут не редкостью в конторах) появится возможность через несколько минут после запроса получить данные по затратам и прибыльности, то оно по крайней мере почувствует необходимость узнать, каким образом получены эти сведения.
В конструкторском и технологическом отделах необходимо ознакомиться с возможностями и преимуществами САПР и стремиться к его всемерному использованию. Постепенно в производственной технологии начнут происходить изменения, конечным результатом которых здесь, как и в других областях, безусловно станет сокращение количества обслуживающего персонала. Основным требованием для персонала предприятий является наряду с осведомленностью в области ЭВМ значительно большие, чем обычно, гибкость и приспосабливаемость к постоянным изменениям, происхо- дяшим на предприятии. Люди должны понять, что установка ГПС не приведет к стабилизации существующей ситуации. Напротив, изменения будут продолжаться.
Во многих случаях в результате обучения операторы переходят из разряда низкоквалифицированных рабочих в разряд высококвалифицированных. Поэтому совершенно естественно беспокойство руководства относительно того, что рабочие и служащие, повысившие свою квалификацию, после окончания обучения начнут искать более высокооплачиваемую
311
работу. Существует немало способов удержания квалифицированных кадров и, разумеется, в первую очередь среди них следует назвать персональную заинтересованность, хорошие условия и высокую оплату труда, а также работа на преуспеваю- шей фирме. Цеховые рабочие и мастера, безусловно, только выиграют от улучшения условий труда, но этого для них отнюдь недостаточно. Вероятно, понадобится введение специальных систем участия в прибылях или других экономических стимулов. Могут быть использованы и прочие, стандартные, методы переподготовки без отрыва от производства, проводимой группами местных предпринимателей.
Сразу же после принятия решения о создании ГПС следует начать подготовку кадров для ее эксплуатации. Первым шагом в этом направлении станет получение всеобъемлющей информации о происходящем на всех уровнях производства и управления. Производственному персоналу должно быть известно, что получение высоких прибылей увеличит рентабельность фирмы и, следовательно, благополучие занятых на ней. В то же время необходимо подчеркнуть важную роль производственного персонала фирмы и быть готовым к возможному сокращению количества рабочих мест. Любые заблуждения в этом отношении на начальных этапах внедрения ГПС станут в дальнейшем причиной возникновения трудностей при получении поддержки со стороны этого персонала. Использование ГПС в нескольких цехах приведет к резкому сокращению количества обслуживающего персонала, требуемого при существующем объеме выпуска продукции, но вместе с тем оно расширит возможности фирмы по увеличению объема выпуска. Следовательно, фактическое сокращение рабочей силы на начальном этапе может быть не слишком велико.
Для достижения соответствующего уровня осведомленности в области ЭВМ руководству не нужно большого количества экспертов. У руководства высшего звена во всяком случае должно быть достаточно знаний в области вычислительной техники, чтобы не бояться различных манипуляций с ЭВМ. Тем же, кто будет занят планированием ГПС, придется пройти обучение основам логики вычислительных машин. По-видимому, им будет достаточно умения составлять простые программы на языке Бейсик и некоторого объема общих знаний о возможностях программы и методах функционирования ЭВМ. Тех же, кто заинтересуется этим всерьез, следует поощрять на продолжение дальнейшего обучения в данной области.
Последуюцще проблемы связаны непосредственно с ГПС. У большинства цеховых работников прочно укоренилось убеждение, что повышение уровня автоматизации ведет к сок- 312
ращению количества рабочих мест, да и работа на остающихся рабочих местах становится более монотонной и непривлекательной. Следовательно, нужно обязательно постараться избавить их от этого заблуждения, сделать более восприимчивыми к новым идеям, новым методам и подходам. Действительно, при внедрении ГПС потребуется меньше рабочих, поэтому на начальном этапе следует отбирать тех, которые проявят себя с наилучшей стороны, возможно по результатам каких-либо специальных тестов, а после испытаний обнаружат неподдельный интерес к проекту внедряемой ГПС. Людей, проявляющих достаточные способности к восприятию новых идей, при наличии выбора найти нетрудно.
В одном случае трем рабочим было поручено обслуживание ГПС. Их основная задача состояла в загрузке и выгрузке заготовок. Старший среди них проявил мало интереса к выполнению этой работы. Второй и, возможно, наиболее сообразительный, некоторый интерес проявил, но у него отсутствовала инициатива. Третий сразу же заинтересовался своей работой и начал, кроме того, учиться расшифровке кода на спутниках и прочим вопросам, касающимся вычислительной техники. Однако к тому времени, когда это заметили, было уже поздно. ГПС вступила в эксплуатацию и для ее обслуживания создали другую группу персонала, уровень стимулирования которой был ниже среднего.
Высказанные соображения приводят к возникновению еще одного момента, жизненно важного для ГПС. Поскольку количество обслуживающего персонала невелико —■ совместно работают не более 15—20 человек (вместо 50—200, как это было ранее), то эти люди превращаются в некую команду, в составе которой им придется работать в тесном контакте. Следовательно, и отношения между членами этой команды могут оказать самое непосредственное влияние на общую эффективность работы ГПС. Другое последствие сведения обслуживающего персонала в единый коллектив заключается в увеличении по сравнению с обычным предприятием свободы выбора решений и действий каждого ее члена. Если люди не чувствуют себя ’’автоматами”, такая свобода им просто необходима. Им понадобится также и понимание (хотя бы частичное) того, каким образом осуществляется управление системой.
На фирмах, установивших ГПС, было замечено, что наиболее эффективное общение получается на самом раннем этапе проработки ГПС. Именно на этом этапе целесообразно объяснить, что в отличие от других видов автоматизации внедрение ГПС приводит не к снижению требуемого уровня квалификации работников, а, наоборот, к его повышению. Это положение можно подтвердить перечислением видов работ, кото-
рые приходится выполнять в условиях ГПС. Тех работников, которые непосредственно участвуют в эксплуатации ГПС, нужно будет подробно ознакомить с заложенными в их основе принципами. Таким образом, объяснения будут сосредоточены на следующих моментах:
эксплуатация станков и требуемое при этом плановое обслуживание, в том числе профилактическое;
устройства ЧПУ типа CNС, их функции и диагностирование неисправностей;
составление управляющих программ;
действия, производимые при поломке станка или узла;
методика повторного запуска станков после проведения ремонта;
способы получения данных и возможности их использования для непрерывного улучшения технических характеристик оборудования с одновременным предотвращением возникновения различных проблем;
система управления от ЭВМ.
На первый взгляд может показаться, что основной работой в ГПС является загрузка и выгрузка заготовок. Действительно, в течение ближайших нескольких лет выполнение этих операций останется важнейшей задачей, но не менее важно и плановое обслуживание оборудования. Ввиду круглосуточной работы входящих в ГПС станков и фактически вдвое большего времени резания по сравнению со станками с ЧПУ типа CNС, работающими в две смены в обычном цехе, эти станки будут чаще выходить и строя. Следовательно, обслуживание станков в ГПС потребуется проводить более качественно, а неполадки устранять без задержек. Другими словами, на предприятии понадобится группа собственных специалистов, разбирающихся в станках, а также группа инженеров по техническому обслуживанию этих станков, присланных фирмой-изготовителем. Чтобы местная группа эксплуатационного обслуживания станков достигла на собственной фирме, установившей ГПС, уровня квалификации специалистов фирмы—изготовителя этих станков, потребуется тесное сотрудничество между фирмами. Так происходит не всегда. Теоретически на фирму- изготовителя станков полагаться можно, но поскольку в данном случае основным фактором является выигрыш времени, • возлагаемые надежды вряд ли оправдаются. Вероятно, в дальнейшем, с внедрением самодиагностики оборудования необходимость в такой квалификации частично отпадет.
Возможным вариантом является использование для выполнения загрузочно-разгрузочных операций рабочих средней квалификации, в то время как более высококвалифицированные будут обучаться обслуживанию станков, инструментальной и зажимной оснастки и основам программирования. 314
Однако при эксплуатации небольших ГПС группе обслуживающего персонала придется скорее всего выполнять все работы в полном объеме. Поскольку в ГПС задействовано большое количество электронного оборудования, от обслуживающего персонала наряду со знанием механики потребуется и знание электроники. В настоящее время две группы персонала (по механике и электронике) будут обучаться раздельно, но в дальнейшем наиболее рациональным решением будет создание универсальных групп.
Ныне на всех уровнях производства существует тенденция к сокращению объема ручных работ и увеличению объема работ по контролю и диспетчеризации. Цеховой диспетчер будет выполнять работу нынешнего руководителя небольшого предприятия и находиться в тесном контакте с его персоналом. В свою очередь большую часть своего рабочего времени этот персонал затратит на смену инструмента и обслуживание станков, продолжая в то же время контролировать их работу. В вечернюю и ночную смены в цехе будет присутствовать всего один-два человека, задача которых, за исключением аварийных случаев, состоит лишь в контроле за выполнением операций механической обработки.
Обучение персонала обычно проводят как на специальных курсах, так и непосредственно на рабочих местах без отрыва от производства. Оба вида обучения предполагают достаточно высокий уровень дисциплины и соответствующее знакомство с оборудованием. К обучению следует приступать сразу же по получении оборудования, подлежащего изучению. Часть обучения может быть проведена на простейших ГПС — гибких производственных модулях и технологических комплексах, возможно оснащенных устаревшими станками с ЧПУ типа CNC и связанных между собой посредством интерфейса системы DNC, Позднее, после установки полномасштабной ГПС модули и комплексы следует включить в ее состав.
Затрачивая большие усилия на обеспечение производственной стороны создания ГПС, не следует в то же время терять связи с другими отделами предприятия. Для решения этой проблемы на фирме ”Ролс-Ройс” назначен инженер по организации производства, отвечающий в своем отделе за всю ГПС в целом. Поскольку в обязанности этого инженера входит согласование с конструкторским отделом конструкции изготовляемых на ГПС изделий, он по своему положению вынужден настаивать на том, чтобы конструкторы осуществляли в изделиях минимум конструктивных изменений, даже таких, которые нередко могли бы привести к упрощению производственного процесса или рационализации оснастки. На него также возложена ответственность за организацию
производственных процессов, контроль за специализацией станков и расходами на различного рода производственные совещания. При внедрении крупных ГПС этими аспектами их установки будет скорее всего заниматься группа специалистов по проектированию.
Хотя создание ГПС связано с возникновением крупных изменений, создающих потребности в новом поколении квалифицированных рабочих, высокая производительность, характерная для ГПС, означает, что и таких рабочих потребуется сравнительно немного. Но поскольку они будут обслуживать дорогостоящую производственную систему, то должны будут обладать высокой квалификацией, а также стремиться к сокращению до минимума простоев оборудования и к повышению эффективности своего труда.
ГЛАВА 19. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГПС:ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
И СОКРАЩЕНИЕ ПЕРСОНАЛА
В настоящее время в состав оборудования ГПС входят устройства с относительно несложными функциональными возможностями. Однако в ближайшем будущем ожидается быстрое развитие адаптивного управления и интеллектуального управления от ЭВМ. Это обусловит значительный прогресс в технологии. С другой стороны, широкое внедрение ГПС и совершенствование технологии приведет к резкому сокращению рабочей силы, занятой в сфере производства. В то же время, по-видимому, коренным изменениям подвергнется структура производства (рис. 19.1).
В устройствах контроля состояния инструмента применяются датчики крутящего момента или мощности. Эти датчики, измеряющие нагрузку на шпинделе, позволяют контролировать износ и поломку инструмента. Концепция, разработанная фирмой ’’Макотек” (г. Сиэттл, США), предусматривает управление подачей и крутящим моментом. Это позволяет поддерживать оптимальную скорость резания при изменении технологических условий. В результате машинное время сокращается на 50 %, а из управляющей программы исключается часть технологических данных, в том числе данные об обрабатываемом материале, скорости резания и скорости подачи.
Изложенная концепция применена к операции глубокого сверления, где необходимо поддержание постоянной нагрузки. Поддержание постоянной силы на режущем инструменте производится путем регулирования скорости подачи. Если вследствие пакетирования стружки сила возрастает и ско- 316
Рис. 19.1. Создание единой ГПС для всех этапов производства, вклю-чающей САПР, системы материально-технического снабжения, производ-ственного планирования и диспетчеризация:
А — подготовительная работа; Б — хранение и управление; В — подготовительный этап; Г — этап обработки; Д — этап сборки; Е — обработка и сборка узлов: централизованное управление в режиме DNC, автоматическое транспортирование деталей, использование функций контроля качества (измерение и контроль); 1 — контроль и разборка инструментальной оснастки; 2 — разборка спутника и приспособлений; 3 — обработанные детали; 4 — приобретение товаров промышленного назначения; 5 — режущий инструмент, резцедержавки и т.п.; 6 — зажимные приспособления и приспособления для установки деталей; 7 — спутники; 8 — заготовки; 9 — загрузка инструмента; 10 — загрузка спутников и приспособлений; II — установка инструмента в магазине; 12 — закрепление заготовок; 13 — управляющие программы; 14 сборка
рость подачи снижается до уровня, определяемого заданной уртавкой, то для удаления стружки производится отвод сверла. Затем цикл обработки возобновляется. Поддержание постоянства нагрузки позволяет не только оптимизировать скорость резания, но также стабилизировать износ сверла и избежать его поломки в результате этой оптимизации.
Такие системы представляют собой простейшие системы адаптивного управления, которые в настоящее время внедрены в производство. Целью повышения уровня ’’интеллекта” или ’’очувствления”- станка или сборочного модуля является снижение требований к обслуживанию и программированию. Для проведения дополнительных измерений требуется установка видеодатчиков, датчиков силы, оптических датчиков. Устройство управления роботом или станком, оснащенным видеодатчиком, может идентифицировать обрабатываемую деталь, точно определять и контролировать ее положение, а также выдавать на станок исполнительные команды для выполнения требуемых операций. Такие возможности позволяют отказаться от точной установки детали на спутник при загрузке, а также от использования конечных выключателей для идентификации детали и контроля ее положения. Применение видеодатчиков снижает требования к точности установки детали, что упрощает организацию загрузки с помощью робота. По сигналам датчиков силы может быть оптимизирована скорость резания при любом обрабатываемом материале. Применение датчиков силы позволяет контролировать усилие зажима при установке детали. Использование подобных датчиков позволит произвести разработку такого автоматизированного производства, для которого по существу подготовку необходимых управляющих программ можно выполнять у станка.
Устройством адаптивного управления на основе данных, получаемых от датчика, установленного на шпинделе, был оснащен токарно-фрезерный станок. Это устройство обеспечивает управление частотой вращения шпинделя изделия и инструментальных шпинделей при токарной обработке, сверлении, нарезании резьбы метчиком и фрезеровании. Для идентификации деталей при роботизированной загрузке был применен видеодатчик. Следовательно, подготовка управляю- ших программ для токарно-фрезерных станков может выполняться у станка. Аналогично с использованием видеосистемы могут подготавливаться управляющие программы для роботов, оснащенных датчиками контроля ориентации схвата и размерной настройки зажимных кулачков или схватами, изменяющими свою конфигурацию в соответствии с формой загружаемой детали. Кроме того, в функцию устройства управления может входить выбор нового комплекта зажим- 318
ных кулачков и выдача на робот соответствующей команды на замену последних. Такой токарно-фрезерный станок может использоваться для обработки деталей широкой номенклатуры в режиме безлюдной технологии.
Поскольку внедрение токарно-фрезерных станков привело к повышению производительности обработки многих деталей, можно ожидать соответствующего повышения производительности и на других станках. Например, для обработки пятой поверхности призматического изделия на некоторых многоцелевых станках используется дополнительное приспособление, в то время как ряд станков фирмы ’’Манделли” обладает возможностью обработки такой поверхности без применения дополнительного приспособления. Разработка подобных станков оправдывает себя, поскольку при их эксплуатации сокращаются простои. Еще большее снижение простоев оборудования ожидается от внедрения модульных универсальных многоцелевых станков, на которых можно выполнять токарные, фрезерные, расточные и шлифовальные операции. В некоторых случаях зажимная оснастка позволяет производить обработку пятой поверхности изделия без необходимости выполнения операций его полного поворота и перезакрепления. Кроме того, имеется стремление к оснащению станка, например, оборудованием для лазерной сварки и лазерной измерительной системой, как составной частью станка.
Однако основное развитие будет, как и ранее, касаться датчиков, ЭВМ и программного обеспечения. На следующем этапе развития ЭВМ, управляющая каждой ГПС, может иметь связь со специализированной системой, которая располагает сверхмощной базой данных. В эту базу могут включаться данные геометрических параметров всей номенклатуры обрабатываемых на станках деталей (ввод этих данных осуществляется из САПР) и данные технологических параметров — различные скорости, шероховатости поверхности, допуски и т.п. Фактически в такой базе данных сосредоточивается полная информация для обработки. Предусматривается постоянная коррекция этих данных, передаваемых непосредственно из САПР, а также из центрального банка технологических данных, находящегося вне указанной системы (рис. 19.2).
Созданная база данных обрабатываемых деталей дает возможность осуществлять обработку без этапа подготовки управляющих программ. После доставки в ГПС определенной заготовки осуществляется ее подробная идентификация с помощью видеосистемы. Данные идентификации от видеосистемы пересылаются в базу данных, где производится их сравнение с данными о заготовках, подлежащих обработке. В результате сравнения формируются геометрические данные заготовки. После этого видеосистемой проводится сканиро-
Рис. 19.2. Концепция САПР (CAD), которую в перспективе предполагается связать непосредственно с автоматизированной системой технологической подготовки производства АСТПП (САМ):
1 — банк данных на трехмерные детали; 2 — модификация трехмерных деталей; 3 — ввод данных на трехмерные детали; 4 — операция сборки;
5 — чертеж перспективной конструкции; 6 — разработка чертежей в сечении; 7 — определение взаимосвязей между деталями; 8 — автоматический расчет формы детали; 9 — разработка сборочного чертежа;
10 — банк данных на двухмерные детали; 11 — разработка конструкции в различных видах; 12 ■— разработка сборочного чертежа в сечении
вание заготовки. Полученные в результате сканирования размеры сравниваются с геометрическими данными эталонной обработанной детали, которые хранятся в библиотеке управляющих программ.
Затем данные управляющей программы пересылаются в устройство ЧПУ, которое обеспечивает управление обработ-
кой на станке. Эта управляющая программа является не специальной, а сформированной на основе информации, полученной из базы данных. При необходимости заготовка может быть отправлена для автоматической термообработки или шлифования на другой участок, а затем на сборку. Управление последними операциями целесообразно производить без использования средств программирования в автоматическом режиме. Токарные станки, вероятно, целесообразно оснащать системами ЧПУ. Устройства ЧПУ таких станков располагают библиотекой, содержащей большое количество управляющих программ. Выбор оптимальной управляющей программы производится автоматически в соответствии с контуром детали, подлежащей обработке. Конечно, такие развитые системы не являются универсальными, т.е. они не рассчитаны на управление производством изделий любой номенклатуры и не могут применяться во всех ГПС. Управление среднесерийным производством изделий пока все еще осуществляется с помощью систем с меньшими функциональными возможностями. Тем не менее при разработке ГПС руководители проекта должны принимать во внимание перспективы развития системы управления.
Аналогичная система управления может найти применение для автоматизации сборочного процесса. Однако в этом случае имеет место большое количество операций из-за необходимости ориентации деталей сборочного узла перед сборкой. Для подачи детали на сборочный участок может быть использован загрузочный робот, установленный на робокаре. В состав этого сборочного участка могут входить роботы и стандартные производственные установки, такие, как прессы и гайковерты с ЧПУ типа CNC, обеспечивающие сборочный процесс. Применение таких специализированных систем в сочетании с прецизионными датчиками, возможно, позволит производить в ГПС обработку единичных деталей или сборку единичных узлов с эффективностью, которая в настоящее время ожидается от ГПС, функционирующей в условиях крупносерийного производства. В результате будет практически достигнута цель — высокая производительность ГПС при производстве единичных изделий с коротким циклом реализации заказа.
Другие главные достижения охватывают автоматизированные системы управления, выполненные на основе ЭВМ. Все автоматизированные системы будут объединяться в единую систему и, возможно, с помощью единой ЭВМ (которая будет обладать речевым вводом и выводом данных). В большинстве случаев при пользовании такой системы отпадает необходимость ввода-вывода данных с клавиатуры пульта управления. В самом деле, к 90-м годам станут доступными
ЭВМ, оснащенные интерфейсными устройствами речевого общения с оператором, обеспечивающими ввод-вывод данных на разговорном языке. Любой сотрудник получит возможность создавать самые сложные входные сообщения и программное обеспечение путем общения с ЭВМ на обычном разговорном языке. В связи с появлением такой возможности исчезнет проблема, связанная с необходимостью обучения работе на ЭВМ. Оператор также получит возможность доступа к базам данных на изделия, материалы, материально-технические запасы, размещенные на складах, к данным на производственные затраты, содержащимся в специализированных системах, и к другой соответствующей информации.
Система управления производством и обработки заказов предусматривает после принятия заказа передачу исходных данных в САПР. С помощью САПР конструктор выполняет разработку чертежей новой конструкции, может скорректировать или вызвать из памяти системы чертежи прежней конструкции. Разработка производится в автоматизированном режиме. На основе полученных данных формируется производственный график, выполняются заказы на комплектующие изделия и материалы. После доставки комплектующие изделия и материалы распределяются по всей ГПС. Складирование и транспортирование комплектующих изделий и материалов в пределах ГПС осуществляется практически в автоматическом режиме, почти без вмешательства обслуживающего персонала. Совершенно очевидно, что материалы не складируются на производственных площадях, а с грузового автомобиля доставляются в ГПС непосредственно для обработки.
Следовательно, мы находимся на начальном этапе, развитие которого приведет к полному изменению современного производства на заводах. Некоторые станки будут оснащаться системами упрощенной автоматической диагностики. Ремонтные работы будут обеспечиваться сложнейшими роботами, оснащенными сенсорными датчиками. Поэтому для обслуживания такой высокоавтоматизированной ГПС теоретически потребуются лишь операторы-программисты, которые будут обслуживать САПР, специализированные системы и обеспечивать коррекцию баз данных. Чрезвычайно большая сложность как станков, так и роботов создаст положение, аналогичное ситуации, сложившейся с большими ЭВМ. В этом случае персонал, отвечающий за установку ГПС, не говоря уже об обслуживающем персонале, возможно будет не в состоянии иметь полное представление о системе в целом.
Некоторые инженерно-технические работники, по-видимо- му, продолжают рассчитывать на то, что ряд операций останется неавтоматизированным. Эта категория сотрудников счи- 322
тает, что мероприятия по массовому сокращению рабочих с заводов без достаточных на то оснований практически пишр- ны смысла, поскольку оборудование для автоматизации соответствующих операций, вероятно, окажется весьма дорогостоящим. Кроме того, даже при использовании сложнейших датчиков существует возможность возникновения серьезных отказов. Поэтому пройдет еще немало времени, прежде чем административный персонал сможет в ночную смену оставлять производство, которое, действительно, будет функционировать в режиме безлюдной технологии. Во всяком случае на автоматизированном производстве будут созданы очень благоприятные условия труда наряду с сокращенным рабочим днем. Обслуживающий персонал на заводах с таким производством будет состоять из нескольких человек.
Однако другие эксперты полагают, что вообще не имеет смысла рассматривать вопрос о количестве обслуживающего персонала на заводе. Здесь можно говорить лишь о внешнем диспетчерском контроле состояния производства. Эти эксперты считают, что поскольку сложность станков будет очень высока, ремонтники не смогут идентифицировать причины неисправностей. В этом случае диагностика и устранение неисправностей станков будет выполняться автоматически развитой системой управления на основе ЭВМ. Следовательно, помощь со стороны обслуживающего персонала для поиска неисправностей и ремонта оборудования может совсем не потребоваться. Очевидно, что создание системы с такими возможностями вопрос не близкого будущего, однако административный персонал должен быть подготовлен к появлению такой системы.
Какое же количество занятых в производстве потребуется к 1990 или к 2000 г.? По оценкам некоторых экспертов, в следующие 10 лет в промышленности произойдет сокращение рабочей силы на 60...75 %. В то же время ожидается, что количество персонала, занятого непосредственно в цеховых условиях, сократится примерно на 90 %. Сокращение рабочей силы на 66,6 % распределится по ведущим промышленно развитым капиталистическим странам, как указано в табл. 19.1.
Хотя приведенные прогнозы выглядят тревожными, но они отражают сходные тенденции, имеющие место в сельском хозяйстве и промышленности. Однако ожидаемые изменения происходят медленно и они обязательно приведут к возникновению значительных социальных и промышленных противоречий. Перспективы потери около 20 млн. рабочих мест в США, 13 млн. в Японии, по 5 млн. во Франции и Италии, 3,5 млн. в Великобритании в предстоящие десять лет не могут не волновать людей.
Конечно, на переход к высокоавтоматизированному
323
Таблица 19.1
Страна
Количество занятых в промышленности, млн.чел.
В настоящее время*
после сокращения на 66,6 %
США
30,00
9,00
Япония
19,50
5,80
ФРГ
11,30
3,40
Италия
7,70
2,30
Франция
7,50
2,25
Великобритания
5,30
1,60
Швеция
1,35
0,40
*По данным ассоциации ’’Бритиш-робот”
производству потребуется некоторое время. Однако, по всей вероятности, внедрение ГПС, представленных на современном технологическом уровне, обусловит указанное сокращение рабочей силы. Приблизительно к 2000 г. по мере развития средств вычислительной техники может произойти дальнейшее сокращение рабочих мест (рис. 19.3).
За этот переходный период, возможно, будет внедрено в производство множество нового оборудования и систем. Теоретически снижение цен на промышленную продукцию, обусловленное повышением производительности, приведет к повышению потребительского спроса на мировом рынке. В равной степени очевидно, что разработка и обслуживание программного обеспечения сложных автоматизированных систем потребует большего числа квалифицированных рабочих мест. Фактически существует вероятность дефицита квалифицированного персонала во многих областях. Дефицит квалифицированного персонала будет задерживать разработку новых систем.
Несомненно, что те страны, которые подготовят наибольшее число специалистов соответствующих профилей, будут являться лидерами в автоматизации производства. Во всяком случае указанные изменения в количестве рабочих мест основываются на предположении, что за каждым государством будет оставлена доля производства промышленных товаров на мировом рынке, соответствующая положению в настоящее время. Однако практически сохранение структуры промышленного производства маловероятно, поскольку ряд стран обладает большей конкурентоспособностью по сравнению с другими, в то время как на развивающиеся страны также будет приходиться известная доля промышленного производства. Кроме того, некоторые государства, напри- 324
Рис. 19.3. Взаимосвязь тенденций развития оборудования ГПС с тенденциями изменения численности обслуживающего персонала и размером партий деталей:
1 — системы централизованного управления типа DNC; 2 — ГПС с ограниченными возможностями работы в режиме безлюдной технологии; 3 — дополнительные датчики, обеспечивающие сокращение объема программирования; 4 — перспективные датчики, обеспечивающие существенное сокращение объема программирования; 5 — специализированные системы, базы данных и датчики, исключающие необходимость программирования; 6 — полностью автоматизированная система, включающая автоматическое управление; 7 — тенденция сокращения обслуживающего персонала и уменьшения размеров партий деталей
мер США, имеют более высокие темпы перехода к более развитому в промышленном отношении обществу по сравнению, например, с Японией.
Хотя профессиональное обучение и является обязательным, оно в настоящее время оказывается недостаточным. Как программа обучения в целом, так и отношение к работе нуждаются в изменении. Внедрение ГПС, автоматизированного производства, автоматизированного транспорта и, возможно, некоторых других средств приведет к сокращению рабочих дней в неделю у обслуживающего персонала. Вероятно, совсем скоро появится трехдневная рабочая неделя, что вызвано как необходимостью увеличения числа рабочих мест, так и необходимостью обеспечения в ряде случаев готовности обслуживающего персонала к выполнению работ во внерабочие часы.
Чем же будет обеспечена занятость населения в свободное от работы время? Люди много говорят о дополнительном досуге. Однако необходимо учитывать, что сокращение рабочей недели вследствие повышения производительности труда при использовании ГПС приводит к ’’количественному скачку” в образе жизни. Другая проблема состоит в том, что при
переходе от активного участия в производстве к роли диспетчера-контролера персонал может потерять свою квалификацию и снизить производственную активность. Для работы персонала в условиях нового производства должен быть повышен его фактический уровень образования. Необходимость дальнейшего повышения уровня образования также обусловливается стремлением людей получить лучшее место в жизни при наличии дополнительного свободного времени и, возможно, необходимостью уделять больше времени выполнению соответствующих работ в личном хозяйстве.
Возможно,многие будут работать в двух местах — три дня на основной фирме и два дня на другой работе, не связанной с основной. Конечно, те, кто не нуждается в высоком заработке, смогут ограничиться работой в одном месте. Однако ни одно из указанных перспективных решений не сможет быть реализовано без значительных капиталовложений в производство или в предприятие.
Мы стоим на пороге захватывающей зры огромных благоприятных возможностей, открытых микроэлектроникой и ГПС. Однако нужно иметь в виду, что конкурентная борьба будет ужесточаться и победа в ней будет принадлежать тем фирмам, которые уже теперь решатся на внедрение передовой техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ко всей книге
Proceedings of the 1st International Conference on Flexible Manufacturing Systems. Brighton, 20—22 October 1982. IFS (Publications) Ltd. and North- Holland Publishing Company, 1982.
Proceedings of the 2nd International Conference on Flexible Manufacturing Systems (2nd FMS). London, 26—28 October 1983. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publishing Company, 1983.
Ingersoll Engineers 1982. The FMS Report. IFS (Publications) Ltd. 1982. Decade of Robotics (10th anniversary issue of the Industrial Robot).
IFS (Publications) Ltd., 1983.
К г л а в e 4
The FMS Magazine (January 1983). IFS (Publications) Ltd., 1983.
К г л а в e 5
The FMS Magazine (January 1983, April 1983). IFS (Publications) Ltd 1983.
К главе 6
Muller T. Automated Guided Vehicles. IFS (Publications) Ltd. and Springer-Verlag, 1983.
Proceedings of the 2nd International Conference on Automated Guided Vehicle System and 16th IP A Conference. Stuttgart, 7—9 June 1983. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publishing Company, 1983.
К главе 7
The FMS Magazine (July 1983). IFS (Publications) Ltd., 1983.
К г л а в е 8
Ranky P.G. The Design and Operation of FMS. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publiching Company, 1983.
Roe J. 1983, Touch trigger probes on machine tools. In: 2nd. FMS, pp. 411—424.
Woodwark J.R. and Graham D. 1983, Automated assembly and inspection of versatile fixtures. In: 2nd FMS, pp. 425—430.
Thomas D. 1983. Automatic tool changing. In: 2nd FMS, pp. 431—449.
Lewis G. 1983. Modular fixing systems. In: 2nd FMS, pp. 451—461.
Warnecke H.J. and Schuler J. 1983, Magazine for rotary shaped workpieces — key elements for flexible turning cells. In: 2ndFMS, pp. 463—473.
К г л а в e 9
The FMS Magazine (July 1983, October 1983). IFS (Publications) Ltd., 1983.
К г л а в e 10
Metalworking Engineering and Marketing (September 1983), pp. 110— 117.
К г л а в e 11
Benzinger M. and Fletcher I.M. 1983, Developments in FMS for sheetmetal and plateworking. In: 2nd FMS, pp. 295—305.
К г л а в e 12
Hartley J. Robots at Work. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publishing Company, 1983.
Industrial Robot (June 1983). IFS (Publications) Ltd., 1983.
Proceedings of the 11th International Symposium on Industrial Robots. Tokyo, 7—9 October 1981. Japan Industrial Robot Association, 1981.
К г л а в e 13
Hartley J. Robots at Work. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publishing Company, 1983.
Assembly Automation (November 1982, and February, May and August 1983). IFS (Publications) Ltd., 1983.
Proceedings of the 4th International Conference on Assembly Automation. Tokyo, 11—13 October 1983. IFS (Publications) Ltd. and North- Holland Publishing Company, 1983.
Sanderson R.J. Machine Vision Systems: A Summary and Forecast. Tech Tran Corporation, 1983.
К г л а в e 14
The Engineer (27 October 1983, pp. 22—23).
К г л а в e 15
Suzuki T., Kanai M., Kimura M., Ozaki S., Soda C. and Furukawa Y. 1983, Present state of the Japanese National Project: ’’Flexible Manufacturing System Complex”. In: 2nd FMS, pp. 19—30.
К г л а в e 16
Ranky P.G. The Design and Operation of FMS. IFS (Publications) Ltd. and North-Holland Publishing Company, 1983.
Mills R. I. 1983, Computer simulation — a feasibility and planning tool for FMS. In: 2nd FMS, pp. 185—196.
Browne J. and Rathmill, K. 1983, The use of simulation modelling as a design tool for FMS. In: 2nd FMS, pp. 197—214.
Yong Y.F., Bonney M.C. and Knight J.A.G. 1983, GRASP — A design tool for FMS. In: 2nd. FMS, pp. 215-228.
Carrie A.S. and Adhami E. 1983, Introducing FMS by simulation. In: 2nd FMS, pp. 229—238.
Spur G., Viehweger B. and Wieneke B. 1983, Problem oriented methods for the planning and optimization of flexible manufacturing systems. In: 2nd FMS, pp. 239—249.
Rathmill K., Greenwood N. and Houshmand M. 1983, Computer simulation of FMS. In: 2nd FMS, pp. 251—280.
Morgan T.K. 1983, Planning for the introduction of FMS. In: 2nd FMS, pp. 349y357.
Actis Dato M., Ciaffi F. and Cigna P. 1983, A generalised job scheduling system for FMS. In: 2nd FMS, pp. 615—624.
К г л а в e 17
Morgan T.K. 1983, Planning for the introduction of FMS, In: 2nd FMS, pp. 349-357.
Staples G.R. 1983, FMS — Convincing the Board. In: 2nd FMS, pp. 359-364.
Brandolese A. and Garetti M. 1983, FMS control systems: Design criteria and performance analysis. In: 2nd FMS, pp. 365—381.
Beaton D.D.M. 1983, Planning for FMS. In: 2nd FMS, pp. 383—389.
Kumpe T. and Bolwijn P.T. 1983, Automation without tears. In: 2nd FMS, pp. 391—394.
Shifo T.P. 1983, A standard product approach to FMS. In: 2nd FMS, pp. 395-407.
Airey J. and Young C. 1983, Economic justification — Counting the strategic benefits. In: 2nd FMS, pp. 549—554.
Dapiran A. and Manieri M. 1983. The cost of the flexibility in the FMS. In: 2nd FMS, pp. 555—567.
Graham Bryce A.L. 1983, Is there such a thing as low cost FMS? In: 2nd FMS, pp. 569—576.
Sackett P.J. 1983, Flexible manufacture in small high technology companies — An alternative approach. In: 2nd FMS, pp. 577—584.
Donaldson W.M. 1983, Centrifugal impellor machining — An FMS feasibility study. In: 2nd FMS, pp. 585—592.
К г л а в e 19
Novak A. 1983, The concept of artificial intelligence in unmanned production — Application of adaptive control. In: 2nd FMS, pp. 669—680.
EMS AT WORK
John Hartley
IPS (Publications) Ltd., UKNorth-Holland
(a division of Elsevier Science Publishers B.V.)
1984
Дж.Хартли
me
ВДЕЙСТВИИ
Перевод с английскогоВ. А. Потапова,канд. техн, наук А. С. Чубукова
Под редакциейд-ра техн, наук проф.
В. А. Кудинова
Москва«Машиностроение»1987
ББК 32.965
Х22
УДК 621.9.06-529: 658.52.011.56.012.3
Хартли Дж.
ГПС в действии: Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1987. — 328 с.: ил.
(В пер.): 1 р. 80 к.
Книга английского автора является одним из первых в СССР переводных изданий по гибким производственным системам (ГПС). Она представляет собой попытку заглянуть в существо ГПС, объяснить работу гибкого производства, проанализировать проблемы, возникающие при его создании и внедрении. Рассмотрены компоновки ГПС, станки с ЧПУ и системы управления, все этапы построения ГПС, выбор оборудования и программного обеспечения, даны рекомендации по подготовке обслуживающего персонала.
Для инженеров-разработчиков ГПС, технологов и руководителей машиностроительных предприятий.
2404000000-169
X 169-87ББК 32.965
038 (01)-876П5.4
Производственное издание
Джон Хартли
ГПС В ДЕЙСТВИИ
Редактор Д. П. Б у т
Художественный редактор С. Н. Голубев
Обложка художникаР. А. Казакова
Технический редактор О.В. ЧеботареваКорректорыГ.Л. Сафонова, Л.В. Тарасова
ИБ № 5333
Подписано в печать 19.06.86. Формат 60Х 90 1/16. Бумага офсетная № 1. Гарнитура Сенчури. Печать офсетная. Усл. печ. л. 20,5. Усл. кр.-отт. 20,5. Уч.-изд. л. 21,31. Тираж 15 000 экз. Заказ 214 Цена 1р 60 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство ’’Машиностроение”,107076, Москва, Стромынский пер., 4
Отпечатано в Ленинградской типографии № 6ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения’’Техническая книга” им. Евгении СоколовойСоюзполиграфпрома при Государственном комитете СССРпо делам издательств, полиграфии и книжной торговли193144, Ленинград, ул. Моисеенко, 10,с оригинала-макета, изготовленного в издательстве ’’Машиностроение”на наборно-пишущих машинах
©1984 IPS ( Publications ) Ltd., UK
© Перевод на русский язык, ’’Машиностроение”, 1987
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие °
От автора 8
ГЛАВА 1. Области применения ГПС 9
ГЛАВА 2. О гибкости ГПС 25
ГЛАВА 3. Станки с ЧПУ типа CNC — основной компонент ГПС . . . 33
ГЛАВА 4. От модуля и роботизированного комплекса к ГПС . . . 49
ГЛАВА 5. Зависимоть потока материалов от компоновки ГПС . . . 63
ГЛАВА 6. Ограничения и эффективность использования робокаров и складского оборудования в ГПС 87
ГЛАВА 7. Выбор спутников и зажимных приспособлений для
ГПС 112
ГЛАВА 8. Инструментальное обеспечение, удаление стружки и эксплуатационное обслуживание ГПС 132
ГЛАВА 9. ГПС с широкими функциональными возможностями . . 160
ГЛАВА 10. Высокая экономическая эффективность — неоспоримое преимущество ГПС 181
ГЛАВА 11. Проблемы внедрения ГПС для обработки листового металла 193
ГЛАВА 12. Датчики для автоматизации сварки 210
ГЛАВА 13. Гибкая автоматизация сборки: направления и перспективы развития 232
ГЛАВА 14. ГПС в цехах формования пластмасс, литейных и кузнечно-прессовых 252
ГЛАВА 15. Проект завода-автомата. 265
ГЛАВА 16. Системы управления и программное обеспечение: теория и практика 275
ГЛАВА 17. ГПС как единая система 295
ГЛАВА 18. Обучение: изменение профилей специализации 311
ГЛАВА 19. Перспективы развития ГПС; повышение про1рводи- тельности и сокращение персонала •• • 316
Список литературы 326
ПРЕДИСЛОВИЕ
Преимущества гибких производственных систем (ГПС) для мелкосерийного производства обсуждались во многих статьях и докладах на различных конференциях. Вместе с визитами, организованными на предприятия, где установлены ГПС, особенно в Японии, это помогло установить важность проблемы гибкости производства в соответствии с тенденциями развития промышленности. Возможность изготовления изделий предельно малыми партиями (вплоть до одной детали) благодаря использованию ГПС оказывает весьма положительное влияние на конкурентоспособность не только отдельных фирм, но и тех стран, промышленность которых, в значительной мере ориентированная на экспорт, будет и в дальнейшем зависеть от внедрения технологических новшеств, основанных на применении вычислительной техники.
В своей книге ”ГПС в действии” Дж. Хартли напоминает нам, что термин ГПС, как и термин автоматизация, понимается различными специалистами по-разному. ГПС не могут быть оптимальным решением в любом случае, но, осмыслив основные компоненты ГПС, необходимые для их проектирования, создания и эксплуатации, можно сделать вывод, что у ГПС существует ряд преимуществ, которыми можно воспользоваться с учетом конкретных экономических потребностей и технических возможностей любой фирмы независимо от ее размера.
Начав со станка, оснащенного ЧПУ типа CNC и взятого в качестве основы для создания ГПС, Дж. Хартли раскрывает далее важность для гибкой системы инструментального хозяйства, загрузочно-разгрузочных и транспортных устройств, измерений в процессе обработки, обесценения работоспособности оборудования благодаря диагностике, внедрения вычислительной техники и связи и системами автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированными системами технологической подготовки производства (АСТПП). Книга не только раскрывает перспективу технических и технологических разработок, необходимую для ориентирования в конструкциях и при выборе оборудования для всей проектируемой ГПС или ее части, но и показывает отдельные трудности, которые без стандартизации методов разработки, инстру-
ментальной • оснастки и систем спутников, а также интерфейсов и трансляторов программного обеспечения могут легко ввести специалиста в заблуждение. Книга неоценима в качестве справочного пособия для специалистов, впервые занявшихся вопросами разработки ГПС, а также для тех, кто уже имеет определенный опыт в этой области.
Хотя большая часть нынешних ГПС создана для осуществ‘ ления механической обработки, предпринимаются активные усилия с целью претворения в жизнь принципов ГПС для сварки и кузнечно-прессовых работ. Эти разработки и программы использования лазеров показывают направление будущего развития ГПС.
В начале книги Дж. Хартли пишет, что ’’...именно ГПС, а не роботы явятся началом новой промышленной революции”. Это мнение автора я полностью разделяю. Его книга представляет собой ценный вклад в понимание сути вопроса, столь необходимое для того, чтобы добиться успеха. Книгу следует прочитать всем, кто интересуется будущим производства и дальнейшим развитием национальной экономики тех стран, экспортные возможности которых в значительной мере зависят от товаров, изготовляемых в условиях мелкосерийного производства.
Ф.Тернер, руководитель отдела технологических разработок фирмы ”Ролс-Ройс”.
Моему отцу посвящаю!
ОТАВТОРА
ГПС представляют собой, по-видимому, наиболее важное технологическое достижение с начала нашего века после появления сборочного конвейера.
Их внедрение будет иметь для промышленности поистине революционное значение, поскольку вызовет резкое сокращение себестоимости продукции, изготовляемой в условиях мелкосерийного производства. В то же время результатом внедрения ГПС явится значительное сокращение потребностей машиностроения в рабочей силе (возможно на 60...80 % в течение последующих десяти лет).
Следовательно, хотя внедрение ГПС и ставит как социальные, так и технические проблемы, тем не менее этот путь неизбежен для смелых и стремящихся к повышению своей конкурентоспособности изготовителей. Моя цель при создании этой книги состояла в том, чтобы объяснить, почему в ыгодна ГПС, описать ее основные компоненты и показать, каким образом некоторые фирмы воплощают в действительность концепции ГПС. Кроме того, я рассматривал потенциальные возможности будущего усовершенствования систем, а также проблемы занятости, которые возникнут при их дальнейшем использовании. Надеюсь, что книга будет полезна всем, кто занимается и намерен заниматься этим аспектом производства.
При подготовке этой книги, обсуждении проблем ГПС, показе их в действии, а также при обеспечении иллюстрациями мне оказали помощь многие специалисты и фирмы. Я благодарен всем, в особенности фирмам ’’Мори Сейки” и ’’Систайм”. Иллюстрации поступили от фирм ’’АСЕА”, ’’Ситроен”, ’’Фанук”, ’’Хитати”, ИПА (IPА) (Штуттгарт), КТМ, ’’Мори Сейки”, ’’Мурата машинери”, ’’Окума машинери уоркс”, ’’Ренишоу”, ’’Роувак отомейшн”, ’’Сандвик”, ”СМТ машин тулз”, ’Труп- 600”, ’’Тойода машинери уоркс”, ’’Вольво” и ’’Ямазаки”.
Я хотел бы также выразить благодарность издательству ИФС (Пабликейшнз) за разрешение использовать некоторые иллюстрации из журналов ”ФМС мзгззин”, ’’Индастриал робот”, ’’Эссембли отомейшн” и доклады на различных конференциях; Японской ассоциации промышленных роботов — за некоторые иллюстрации из докладов на 11-м международном симпозиуме по промышленным роботам и издателям журнала ’’Металу оркинг инжиниринг энд маркетинг”— за иллюстрации в гл. 10.