Перспективыразвития автоматизированных заводов будущего
Промышленно развитые страны реализуют большиепрограммы по изучению, разработке и опытному созданию комплексныхавтоматизированных гибких компьютеризированных производств, конкретноавтоматизированных заводов (A3) для условий серийного производства с постояннымизменением выпуска конкурентоспособной продукции. Эти программы, как правило,осуществляются правительством, университетами и промышленностью и являютсяперспективными национальными программами.
Согласно прогнозам ученых, полностьюавтоматизированные заводы для производства машиностроительной продукции,управляемые от ЭВМ, будут созданы уже к концу XXI века. Переход наизготовление нового вида изделий (автомобиль, трактор, холодильник и т.д.) наэтих A3 должен пройти следующие этапы:
— подготовка производства на основе маркетингапродукции;
— опытное производство, изготовление первыхобразцов изделий (общий выпуск до 50 шт.), необходимых для проведенияисследовательских работ и отработки конструкторской и технологическойдокументации для опытно-промышленного производства;
— опытно-промышленное производство, одновременноеили последовательное изготовление изделий партиями (общий выпуск 1000— 10000шт./год). Это количество изделий необходимо для испытаний в производственныхусловиях и доработки по их результатам конструкторской и технологическойдокументации для установившегося производства;
— установившееся производство, выпуск изделий вгод по конструкторской и технологической документации, отработанной на моментпуска. Установившееся производство может быть одно- или многономенклатурным. Вовтором случае осуществляется групповое изготовление на ГАУ, ГАЛ, АЛ или другомоборудовании изделий, заранее известных и аналогичных по обрабатываемымповерхностям и технологическому процессу. Изготовление изделий можетосуществляться последовательно, параллельно или параллельно-последовательно приразличном уровне автоматизации переналадки оборудования;
V- изготовление запасных деталей. Этопроизводство сохраняется как во время выпуска изделия, так и после егоокончания, однако число их постепенно уменьшается. Для изготовления запасныхчастей в зависимости от потребностей используют оборудование, применявшеесяранее в условиях опытного, опытно-промышленного или установившегося производства.
Для каждого этапа производственного цикла выпусканового изделия в A3 необходимо создать свой тип высокопроизводительного гибкогооборудования.
Организация производства нового изделия строитсятак, чтобы между отдельными этапами этого процесса была взаимосвязь, преждевсего в подготовке производства и отработке технологического процесса, в томчисле управляющих программ, конструкций оборудования, инструментов,транспортных средств и других компонентов A3. Фактически на каждом этапеподготовки производства нового изделия проводятся свои научно-исследовательскиеи опытно-конструкторские работы (НИОКР).
Подготовка производства на A3 заключается визучении рынков сбыта и приспособлении производства к их требованиям, активномувоздействию на рыночные процессы потребителей с целью увеличения сбыта иполучения прибыли. В рамках подготовки производства выполняются НИР и ОКР посозданию новой продукции, отработки надежных технологических процессов,обеспечивающих стабильное качество продукции, организуются конкурентоспособныепроизводства, необходимый сервис, а также оптимальные системы стимулированиясбыта и продвижения продукции на рынок.
Опытное производство A3 для выпуска новогоизделия. Технологичность конструкций изготовляемых деталей не отработана. Номенклатурадеталей, закрепленная за каждым станком или гибким производственным модулем(ГПМ), достаточно широка, так за многоцелевым станком закрепляется до 100наименований корпусных деталей. Распространенный размер партии деталей,изготовленных по одной программе, 3-15 шт., повторяемость партии — до 5 раз вгод. ГПМ эффективны при годовом выпуске любого из 40-800 типоразмеров деталей,равном 20-500 шт.
Оборудование для такого производства максимальноуниверсально, прежде всего это оборудование с ЧПУ. Опыт ряда заводов показал,что принцип разделения операций в рассматриваемом случае не полностью пригоден.С учетом большого припуска на заготовках черновую и чистовую обработкуэффективно выполнять на интегрированном оборудовании — многоцелевых станках сЧПУ и ГПМ. Совмещение операций на одном станке в сравнении с действующимпроизводством на базе нескольких станков с ручным управлением дает рядпреимуществ: сокращение рабочего цикла и затрат на оснастку; высвобождениезначительного количества оборудования и сокращение численности обслуживающегоперсонала, повышение качества обработки. Улучшение технологичности конструкцииизготовляемых деталей обеспечивается уже на этапе опытного производства. Вусловиях такого производства механообрабатывающее оборудование может бытьобъединено в ГАУ, в том числе на базе РТК. Возможно использовать и отдельныестанки с ЧПУ, не связывая их общими транспортной системой и системойуправления. Выбор решения зависит от состояния технических средств,обеспечивающих работу оборудования в мелкосерийном производстве.
В условиях опытного производства находитприменение комплексная автоматизированная система проектирование — изготовление, при которой на производственном уровне интегрированы функцииавтоматизированных проектирования, производства и управления.
Для условий опытно-промышленного производства A3оборудование должно отвечать требованиям серийного производства и обеспечиватьизготовление деталей при постоянном числе партий и деталей в партии, а такжепри переменных маршрутах технологического процесса. В этом случае номенклатурадеталей и партии их запуска известны. Однако условия рынка и испытанияпродукции A3 могут быть такими, что возникает необходимость в конструктивнойдоработке, а следовательно, изменения технологических процессов изготовления,изменения последовательности технологических операций, существенного сокращенияноменклатуры деталей (до 20 наименований), закрепленных за отдельным станком.Применение ГПС целесообразно, если в течение года каждый из 5-100 типоразмеров (наименований)деталей надо изготовить партии общим числом 50-2000 шт. Однако общее числодеталей, необходимых для изготовления, например автомобиля, может достигатьсотен наименований (при этом часть их может поступать по кооперации).Опытно-промышленное производство A3 реализуется на ГПМ и ГАУ. Такие участкидолжны создаваться путем сочетания многоцелевых станков и станков дляодновременной многосторонней и многоинструментной обработки, объединенныхгибкой транспортной системой и единой системой управления на базе ЭВМ.
В условиях серийного производства внедрение САПР(типа CAD/CAM) направлено на автоматизацию конструкторской и технологическойподготовки производства, разработки управляющих программ, организациипланирования и управления производством A3 в целом с выходом на уровень ГАУ идр.
Для установившегося производства A3 могут бытьдве различные структуры функционирования: массовое (крупносерийное) иизменяющееся серийное производство.
Для A3 с массовым и крупносерийным производствомчисло партий деталей, размер партии и технологический процесс постоянны. Еслиноменклатура изготовляемых деталей больше единицы, то оборудованиепереналаживаемое в заранее заданных пределах. Установившееся производстводеталей, как правило, стабильно и строится на базе АЛ, в том числе ГАЛ. Вместес тем в процессе эксплуатации этого оборудования (8-12 лет) обычно 2-3 разаизменяется выпускаемая продукция, что приводит к необходимости модернизацииоборудования.
Модернизация действующего оборудования связана сизготовлением новых или частичной заменой зажимных приспособлений итранспортных устройств, необходимостью нового или существенного изменениянабора режущих инструментов, а следовательно, и шпиндельных коробок, изменениемсредств измерения, системы управления и других элементов АЛ.
Для A3 с изменяющимся серийным производством прииндивидуальных требованиях к продукции (позаказная система) имеютсяпринципиальные отличия от A3 для выпуска продукции массового производства.Основная информация, необходимая для заказа продукции и поступающая на входтакого завода, — конструкторские идеи и технические требования к продукции сучетом тенденций ее развития на последующие 10-15 лет и требований рынка. Навыходе завода необходимо получить продукцию, полностью собранную, проверенную иготовую к использованию в соответствии с производственным назначением, аглавное — конкурентоспособную на рынке.
Проектирование продукции осуществляется позаданию заказчика в режиме диалога оператора с ЭВМ. Оператор выдает концепциюпродукции и технические требования к ней, а ЭВМ запоминает, стандартизируетинформацию и производит необходимые расчеты. В процессе проектирования ЭВМможет непрерывно запрашивать и учитывать информацию о себестоимости ипроизводительности реального оборудования и процессов производства. Затем ЭВМ,используя эту информацию, определяет оптимальные условия для обеспеченияминимальной себестоимости высокого качества и максимальной производительности.Эта же информация используется для производственного планирования в целяхоптимизации процесса обработки (путем выбора соответствующего оборудования,технологических процессов, последовательности операций, условий обработки идр.), а также для управления автоматизированными станками и оборудованием.
Указанные станки и оборудование самонастраиваются,автоматически (с помощью роботов или других технических средств) загружаются иразгружаются заготовками (деталями). При переходе на новую операцию выбираютавтоматически из магазина инструмент, режимы обработки, средства контроля. Наэтих станках и оборудовании осуществляются различные операции обработкирезанием, лучом лазера и давлением, а также термическая обработка, контроль исборка. Обратная связь от станков и другого оборудования осуществляется черезспециальные контуры.
Система непрерывно принимает информацию ореальных характеристиках оборудования и процессов, сравнивает их с «идеальными»- запланированными. Если обнаруживаются отклонения от запланированной программыработ, то система отвергает первоначальный вариант производства и, осуществляядинамическое планирование, регулируя условия работы станков и процессов,добивается, чтобы производство работало в оптимальном режиме. Тем временемстанки и оборудование осуществляют самодиагностику. Если при этомобнаруживается возможность отказа какого-либо узла, то принимаются необходимыекорректирующие действия, включающие замену вышедшего из строя модуля в системе.Более того, встроенные в станки приборы и контрольные машины автоматическиконтролируют изделия на всех этапах производства с тем, чтобы любое отклонениеот заданных технических требований автоматически корректировалось. Такимобразом, окончательно собранное изделие оказывается полностью проверенным исоответствует предъявляемым к нему техническим требованиям.
Таким образом, автоматизированный(автоматический) завод как комплексная производственная система состоит изаппаратных элементов (технологических, транспортных, управляющих,вычислительных и др.) и математического обеспечения, которые включают средствадля проектирования продукции, ее изготовления, производственного планирования иконтроля. Функционирует завод в три смены, причем во вторую и третью смены сограниченным персоналом.
На рис. 1 в качестве примера приведенапринципиальная схема функционирования завода-автомата фирмы Toshiba (Япония)для позаказного серийного производства продукции. На заводе роль связующегозвена между технологическим процессом и системой обработки данных выполняютсенсорные датчики: они регистрируют технологические параметры ипроизводственные данные о состоянии процесса обработки. Общая автоматизацияпроизводства и управление производством осуществляется с помощью сети ЭВМ.
На рис. 2 приведена схема расстановкиоборудования на первом и втором этажах из проекта A3 «Красный пролетарий»,создаваемого на Московском станкостроительном заводе «Красный пролетарий»(МСПО). A3 «Красный пролетарий» предназначен для изготовлениятокарных станков с ЧПУ, станков с ручным управлением по индивидуальным заказам,а также другой продукции, соответствующей конъюнктуре рынка и потехнологическим параметрам, точностным показателям и габаритным размерамудовлетворяющей требованиям производства. Первый этаж представляет собоймеханосборочное производство, где выделены: общезаводские склады заготовок,полуфабрикатов, готовых деталей, собранных узлов, комплектующих; ГАУ дляпроизводства станин, тел вращения, сборки узлов, в том числе нанесенияэпоксидного компаунда при монтаже узлов на станке; ГАУ для сборки шпиндельныхузлов и др. Специальные участки предназначены для сборки и общего монтажа ииспытания станков. В составе производства первого этажа есть термоконстантныйучасток для сборки станков повышенной точности. Готовая продукцияупаковывается. Транспортные потоки между отдельными ГАУ и производственнымиучастками, складами обеспечивается транспортной системой на базе робокаргрузоподъемностью 1, 2, 5 и 10 тонн.
Связь первого и второго этажа осуществляетсячерез систему лифтов. На втором этаже расположены участок окраски штампосварныхи литых деталей, узлов в сборе. Здесь расположено электромонтажное производствои участок консервации и упаковки. На площадках A3 расположены техническиесредства интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ),конторские и другие помещения.
На рис. 3 приведен вариант фрагмента проектапроизводственного и учебного цеха-полигона A3 по производству вырубных штампови пресс-форм, создаваемого на Тверском заводе штампов. Цель создания этого A3 —не только изготовление продукции в условиях индивидуального и мелкосерийногопроизводства, но и организация специального учебного центра подготовки кадровдля работы в условиях высокоавтоматизированного компьютеризированногопроизводства.
На рис. 4 приведена типовая укрупненнаяфункциональная схема задач, решаемых интегрированной автоматизированнойсистемой управления (ИАСУ) A3, построенной на базе использования вычислительнойтехники и реализуемой в отечественных проектах.
/>
Рис. 1 — Схема функционирования завода-автоматафирмы Toshiba
/>
Рис. 2 — Схема расположения оборудования и службиз проекта A3 «Красный пролетарий»
Этаж: 1 — Служба завода; 2 — диспетчерская АСУзавода; 3 — склад цеха консервации и упаковки; 4 — участок нанесения компаунда;5 — цех консервации и упаковки продукции; 6 — участок окраски изделия в сборе;7 — участок окраски литых деталей; 8 — участок окраски штампосварных деталей; 9— вспомогательные производственные участки; 10 — электромонтажный цех; 11 — участок входного контроля узлов; 12 — конторские и бытовые помещения. Этаж /:13 — склад комплектующих изделий и деталей; 14 — склад комплектующих участкаузловой сборки; 15 — склад участка сборки и общего монтажа станков; 16 — складдлинномерных изделий; 17 — склад № 2 деталей и заготовок; 18 — участокиспытания станков; 19 — участок сборки и общего монтажа станков; 20 — ГАУобработки тел вращения; 21 — ГАУ обработки станин; 22 — склад № 1 деталей изаготовок; 23 — склад станин; 24 — конторские и бытовые помещения служб завода;25 — участок сборки электрошкафов; 26 — выходной поток готовой продукции; 27 — участок нанесения эпоксидного компаунда; 28 — лифты грузоподъемностью 20 тмежду первым и вторым этажами; 29 — выходной поток упакованной продукции; 30 — входной поток готовых деталей, материалов и комплектующих изделий, отправляемыхзаказчику в качестве комплектации оборудования; 31 — входной поток деталей,материалов, заготовок и комплектующих для изготовления и сборки станков; 32 — промежуточный склад комплектующих изделий и деталей; 33 — входной поток станин,крупногабаритных заготовок и деталей; 34 — ГАУ обработки ответственных деталейшпиндельных узлов; 35 — термоконстантный участок; 36 — участок общего монтажа ииспытания станков; 37 — участок распаковки и расконсервации поступающих назавод заготовок и комплектующих; 38 — участок финишной обработки ответственныхдеталей
/>
Рис. 3 — Фрагмент механообрабатывающего производствана A3 «Тверской завод штампов» (производственный и учебныйцех-полигон):
I — вертикальный накопитель; 2 — подвеснойманипулятор; 3, 5, и 8 — транспортный робот для загрузки заготовок на группустанков; 4 — накопитель и загрузочное устройство; — подвесной монорельсовыйконвейер; 7- поворотный робот; 9- промежуточный магазин; 10 — транспортнаятележка-накопитель
Программно-аппаратная реализация подсистем ИАСУбазируется на ПЭВМ типа РС/АТ-486 и РС/АТ-386, связанных сегментированной ЛВСна базе моноканала Ethernet (IEEE 802.3). Службы корпуса, производственныеучастки используют отдельные сегменты сети, развязанные с основной магистральюпосредством сетевых мостов (Bridge). Такая архитектура ЛВС учитываетособенности метода доступа CSMA/CD (Ethernet) и позволяет снизить нагрузку намоноканал и повысить производительность ЛВС. Внутри сегментов, имеющихнебольшую протяженность (менее 200 м), может использоваться «тонкий»(thin) Ethernet ver. 2. Каждый сегмент имеет собственный файл-сервер дляхранения данных, используемых ПЭВМ рабочими станциями) данного сегмента. Крометого, рабочие станции сегментов имеют доступ к файл-серверам других сегментов.
Взаимодействие с оборудованием осуществляетсяпутем обмена данными между ПЭВМ и устройствами программного управления поканалам связи с помощью многоканальных мультиплексоров для ПЭВМ, реализующихинтерфейс ИРПС. К ПЭВМ подключаются удаленные терминалы, устанавливаемые вслужбах и на рабочих местах участков.
Для управления цикловым оборудованием применяютсяпрограммируемые логические контроллеры (ПЛК), связанные с ЛВС магистралью типа «BitBus»,выходящей на одну из ПЭВМ АСУ ПУ.
Прикладное программное обеспечение подсистем ПАСУразрабатывается на основе систем Clipper-5 и Microsoft-C с библиотекой CodeBaseв средах Windows последних поколений.
A3 строится на сочетании прогрессивных техники итехнологии производства и управления с качественно новой квалификациейобслуживающего персонала.
В развитых странах мира в основном вопытно-промышленной эксплуатации находятся около 20 A3 с различным уровнемавтоматизации подготовки производства, производственных процессов и процессовуправления.
Анализ на концептуальном уровне создания A3 вотечественной промышленности показал, что его пуск в промышленную эксплуатациюдолжен обеспечить рост следующих показателей: производительности труда -в 8-10раз; фондоотдачи — 1,1-1,5 раза; выпуска продукции на единицу производственнойплощади — 1,5-2,5 раза; степени производственно-технологической интеграции — 6-8раз; степени эффективности автоматизации — 3-4 раза; показателей работыосновного оборудования — 1,5-2 раза. При этом одновременно происходитсокращение: длительности производственного цикла изготовления продукции длясложных изделий в 2-3 раза, для простых изделий в 8-10 раз; максимальногоразброса договорного срока поставки продукции в 8-10 раз.
АСУ ОТ (цеха) — автоматизированная системаорганизационно-технологического управления; АСО ДУ — автоматизированная системаоперативно-диспетчерского управления
/>
Рис. 4 — Укрупненная функциональная схема ИАСУ A3
Список литературы
1. Н.П.Меткин,М.С.Лапин, С.А.Клейменов, В.М.Критський. Гибкие производственные системы. – М.:Издательство стандартов, 1989. – 309с.
2. Харченко А.О.Станки с ЧПУ и оборудование гибких производственных систем: Учебное пособие длястудентов вузов. – К.: ИД «Профессионал», 2004. – 304 с.
3. Роботизированныетехнологические комплексы/ Г. И. Костюк, О. О. Баранов, И. Г. Левченко, В. А.Фадеев – Учеб. Пособие. – Харьков. Нац. аэрокосмический университет «ХАИ»,2003. – 214с.
4. Проектированиеметаллорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник в 3-х т. Т. 3:Проектирование станочных систем /Под общей ред. А.С. Проникова — М.: Изд-воМГТУ им. Н.Э.Баумана; Изд-во МГТУ «Станкин», 2000. — 584 с.
5. Гибкоеавтоматическое производство/под.ред. С.А.Майорова. – М.: Машиностроение, 1985.– 456с.
6. Иванов А.А. ГПС вприборостроении. – М.: Машиностроение,1988. – 282с.
7. Морозов В.П.,Дымарский Я.С. Элементы теории управления ГАП. – Л.: Машиностроение, 1984. –364с.