ОТ ВЧЕРА К СЕГОДНЯ.

В 40-х годах в связи с потребностями атомной технологии появились манипуляторы, основное назначение которых выполнение разнообразных технологических операций с радиоактивными веществами. Применение таких устройств позволило удалить человека из опасной зоны, за ним остались только функции управления. Первыми такой манипулятор разработали сотрудники Аргонской национальной лаборатории США. Они создали машину многоцелевого назначения, способную выполнять те же действия, что и руки человека. Машина под названием Master- Slave ("хозяин-раб") состоит из исполнительной механической руки Slavе, помещаемой в опасную для человека зону, и задающей механической руки Мaster, которой в безопасной зоне действует оператор.

Исполнительная рукa отличается от задающей только наличием, захвата, имеет шарнирную конструкцию; число ее степеней свободы достаточно, чтобы устанавливать и ориентировать объект манипулирования в рабочем пространстве любым образом.

В дальнейшем механические руки, обратимые следящие системы, способы и устройства управления совершенствовались. Манипуляторы оснащались системами различного рода датчиков касания, проскальзывания, усилий и т.д., а манипуляторостроение превратилось в отрасль промышленности. В настоящее время эта техника широко используется не только в атомной промышленности, но и в космосе, в шахтах, под водой. Но всегда при ней "имеется" человек, выполняющий функции управления.

Принципиально промышленный робот можно скомпоновать из механической руки, взятой, например, от манипулятора, современных гидро-, электро- или пневмоприводов, широко используемых на разнообразном традиционном оборудовании, и управляющей вычислительной техники или системы ЧПУ, привычных в станкостроении. Означает ли это, что проблема создания промышленных роботов решена? Увы, нет.

Исключая человека из непосредственного участия в технологическом процессе, мы лишаем систему многих, скрытых от глаз наблюдателя, но важных для выполнения технологического процесса возможностей приспособления к конкретным условиям выполнения той или иной технологической операции. При участии человека эта приспосабливаемость достигалась с помощью его органов чувств: например, ориентируясь на изменение вибрации машины или уровня шума, оператор, исходя из своего опыта, определенным образом планирует и совершает движения, а наиболее информативный зрительный канал используется им для получения требуемой точности и выработки стратегии управления технологическим процессом. Человек никогда не начнет движение, если увидит, что на исходную позицию в силу каких-либо причин заготовка не поступила. Стало быть, для создания "квалифицированных" роботов необходимо разработать и научиться эффективно использовать искусственные органы чувств, через которые обеспечивается сенсорная связь робота с оборудованием, оснасткой и т.д., иными словами, с внешней средой. Это специфическая проблема робототехники.

Микропроцессоры и микро ЭВМ широко применяются для управления станками и агрегатами, сложными роботами, транспортными системами и т.п. Поэтому они сравнительно легко обеспечивают перестройку всех исполнительных механизмов при переходе на изготовление новых видов изделий.

Множество ЭВМ без особых усилий объединяются в одну систему, образуя вычислительный комплекс, с помощью которого можно автоматизировать сложные, многоэтапные, распределенные в пространстве и времени производственные процессы, выполняемые разнообразными количеством технологического оборудования. Подобные системы называют в различных странах по-разному:

-у нас в стране и других европейских странах – гибкими автоматизированными производствами (ГАП) или гибкими производственными системами (ГПС);

-в Японии - гибкой автоматизацией, гибким производственным комплексом (ГПК);

-в США - гибкой производственной системой (IMS) или производственной системой, интегрированной с помощью ЭВМ (СТМ); системой с изменяемой производственной задачей (VМS); производством с изменяемой задачей (VММ);

-в Германии - гибкой производственной системой (SFF), или автоматизированной производственной системой, интегрированной с помощью ЭВМ (СТАМ);

-во Франции - гибким цехом;

-в Англии - автоматизированным мелкосерийным производством (АSР).

Ориентироваться только на гибкие системы при техническом перевооружении производства, думается, нереально. С ручного труда сразу в мир сплошной автоматизации не перейти. Надо последовательно насыщать производство средствами механизации, программными станками, создавая на их основе гибкие модули и участки, управляемые от ЭВМ, как ячейки будущих ГАП. Чтобы проблемы технического перевооружения решались на высоком уровне и в сжатые сроки, нужно быстрее развивать производство средств механизации и автоматизации на специализированных предприятиях, чтобы каждый завод мог их приобрести.

Гибкие системы должны создаваться только на базе надежного и высокопроизводительного оборудования. Особое значение имеет надежность станков с ЧПУ: отказ любого элемента такого станка может вызвать простой всего комплекса.

Создание гибких автоматических производств является очень дорогостоящим и сложным мероприятием, целесообразность которого для каждого конкретного предприятия надо обосновать, ГАП должен работать в три смены непрерывно, только тогда фондоотдача позволит окупить в приемлемые сроки дорогостоящее оборудование. Далеко не каждое предприятие готово иметь внутри структуры дорогой высокопроизводительный ГАП. Отсюда возникает необходимость в создании межотраслевых гибких автоматических технологических центров, которые на основе развитой кооперации и специализации должны обеспечивать на региональном уровне многие предприятия разных отраслей готовыми изделиями высокой сложности и качества.

По зарубежным данным системы ГАП позволяют увеличить в среднем коэффициент использования оборудования на 30%, уменьшают его простои на 40 %, снижают себестоимость единицы продукции на 10 %, уменьшает потребность в персонале на 30 %. Однако, как показывает опыт, проектирование ГАП требует больших трудозатрат и материальных средств, связанных со значительным усилием внимания к вопросам планирования, повышение требований к надежности систем. Дефицит квалифицированных специалистов, как в области технологической подготовки, так и программного обеспечении повышает роль формальных методов исследования и отладки ГАП.

Сложность ГАП в большинстве случаев приводит к многокритериальности, либо к использованию неточных условий оптимизации. В связи с этими во многих случаях большой эффект достигается не путем нахождения оптимального варианта, а в процессе оптимизации и приближения, т.е. для решения подобных задач уже не годятся чисто оптимизационные модели. Для их исследования разработаем специальные подходы и специальные модели, которые принято называть конфликтными или игровыми моделями. В настоящее время они прочно вошли в арсенал средств изучения процессов в экономической сфере, становятся основой современного планирования и прогнозирования. Однако упомянутые модели пригодные для анализа лишь относительно, наиболее простых явлений. Поэтому появляется необходимость, во-первых, разработки приближенных методов оптимизации, во-вторых, включения в процесс оптимизации итеративных способов оптимизации с использованием метода экспертных и статистических оценок на базе имитационного моделирования. Использование при формализации систем управления производством других классов моделей (нелинейных, вероятностных и т.д.) не всегда возможно из-за длительных сроков их разработки.

Важным преимуществом является то, что методы имитационного моделирования представляют возможность широкого использования математического аппарата и вычислительной техники для экспериментального исследования динамики процессов в сложных системах, где или затруднительно, или невозможно осуществить прямой "натурный" эксперимент. Характерная черта метода имитации состоит в том, что эксперимент проводится не с самой системой, а с её моделью.

Построена имитационная модель ГАП, которая позволит в итерационном режиме решать следующие задачи:

а) оценивать порядок запуска партий деталей в ГПК;

б) выбирать оптимальную дисциплину материальными потоками (задача диспетчеризации);

в) оценивать технико-экономические показатели работы ГПК за планируемый период при заданной дисциплине обслуживания и порядка записи деталей, т.е. коэффициент загрузки исполнительных средств, объём незавершенного производства, приведенные затраты и т.д.

Перечисленные работы касаются вопросов технологического проектирования. В настоящее время начаты перспективные разработки в области имитационного моделирования информационных потоков ГАП, а именно в подсистеме оперативно-диспетчерского управления. Моделирование позволит выбрать оптимальную техническую и информационную структуру ГАП. Как известно математическое и программное обеспечение ГАП занимает от 50 до 80 % общего времени.

Необходимо отметить, что имитационное моделирование каждого варианта ГАП является само по себе сложным. Поэтому в условиях, когда структура и состав ГАП многообразны, а также характеризуются огромным количеством связей, индивидуальная разработка имитационных моделей себя не оправдывает. Более целесообразным является путь создания универсальных автоматизированных имитационных моделей (УАИМ) ГАП, способных легко настраиваться на любой конкретный вариант. УАИМ ГАП создает реальные предпосылки для генерации вариантов ГАП с целью выбора оптимального. То есть будет достигнуто резкое сокращение сроков проектирования и уменьшения трудоемкости генерации проектов с их привязкой к конкретному производству.

Как показывает технико-экономический анализ, непосредственно на обработку изделия на станке приходится всего 5 времени, в течение которого изделие находится в производстве, а 95 % временных затрат составляют времена простоя, перемещения изделия между станками и их промежуточного и окончательного контроля. Время простоя самих обрабатывающих станков составляет в среднем около 25 %.

Сокращение потерь и повышение эффективности оборудования может быть обеспечено путем организации иерархических систем управления производством, содержащих наряду с локальным ЭВМ, предназначенным для управления отдельными технологическими процессами, центральную ЭВМ, осуществляющую их координацию и взаимодействие. В банке данных центральной ЭВМ хранится программа изготовления продукции, а также информация о состоянии станков и изделий в период транспортирования изделий от станка к станку на различных этапах обработки.

Наиболее высокий уровень автоматизации современного производства предполагает создание роботизированных рабочих мест для обработки и контроля изделия и автоматическое управление потоками основных и вспомогательных материалов и всеми вспомогательными операциями, обеспечивающими производственный процесс. Таким образом, функционируют гибкие производственные системы, включающие в себя обслуживаемые роботами станки с ЧПУ, транспортные средства и контрольно-измерительные приборы, управляемые от ЭВМ. Гибкие производственные системы реализуют полностью автоматический процесс изготовления продукции и могут работать круглосуточно при затратах на обслуживаемый роботами станки с ЧПУ, транспортные средства и контрольно-измерительные приборы, управляемые от ЭВМ. Гибкие производственные системы реализуют полностью автоматический процесс изготовления продукции и могут работать круглосуточно при затратах на обслуживание 8-12 часов в сутки.

В течении 1980-85 г.г. на производственном объединении Ташкентского тракторного завода создано и введено в эксплуатацию 5 РТК.

1) РТК обработки мелких корпусных деталей - Представитель корпус-крана 102 Б - линия состоит из трех сверлильных станков ЧПУ модели 2 Р 135 Ф 2, токарного полуавтомата модели НТ 300, станка 2 Г 135, двух роботов модели РБ 231.

2) Линия обработки алюминиевых крышек наименований трех, состоит из двух станков I Н 713, сверлильный станок 2 Г 175 и робота РБ 231.

3) Линия комплексной обработки шлицевых валов состоящая из одного станка МР 71 м, двух токарных станков ЧПУ модели Р 605.

4) Линия токарной обработки валов состоящая из фрезерного центровального станка модели МР 71 м, двух токарных станков ЧПУ модели 1713 Ф 3, двух роботов Р 505.

5) Линия комплексной обработки валов шпоночными пазами с канавками, состоящая из фрезерно-ценровального станка модели МР 71 м, двух токарных станков модели I Н 713 двух специальных станков, трех роботов Р 505.

Эти линии объединены в единый участок, представляющий собой самостоятельную структурную производственную единицу, ориентированную на выпуск 8 наименований изделий объемом 71 тысяча рублей в месяц.

При разработке проекта ГАП цеха необходимо определить наиболее рациональный характер организации всего производства в цехе: специализация участка, выбора систем управления и вычислительной техники, создании единых транспортно-накопительных потоков и т.д. Такой подход основан на модульном принципе построения участков, транспортных потоков, узлов оборудования и наряду с комплексным решением проблемы обеспечивает поэтапный ввод мощностей автоматизированного роботизированного производства.

На наш взгляд для разработки и внедрения ГАП по каждой отрасли необходимо выбрать базовые предприятия и составить перспективный план проектирования ГАП на 12-ю, 13-ю и 14-ю пятилетку.

Сегодня очень много говорят о гибком автоматизированном производстве. Что это такое? Какие возможности ГАП?

Исходя из опыта передовых предприятий, работу по организации ГАП следует начинать с создания проекта перепрограммируемого производства в целом на уровне завода, цеха, а внедрение осуществлять поэтапно - по модулям, линиям, участкам. При разработке проекта цеха необходимо определить наиболее рациональный характер организации всего производства в цехе: специализации участка, выбора систем управления и вычислительной техники, создания единых транспортно-накопительных потоков и т.п. Такой подход основан на модульном принципе построения участков, транспортных потоков, узлов оборудования и наряду с комплексным решением проблемы обеспечивает поэтапный ввод мощностей автоматизированного роботизированного производства.

Таким образом, базовые предприятия отрасли, приступая к разработке проектов головных участков ГАП, обязательно проводят детальный технико-экономический анализ производства, позволяющий выявить те производственные участки, где комплексная механизация с использованием принципов ГАП позволит максимально интенсифицировать труд, обеспечив резкое повышение производительности, значительно сократить брак, более рационально использовать сырье, материалы и энергию. На основе проведённого анализа базовые предприятия разрабатывают и утверждают технические задания, определяющие необходимые исходные данные и конечные результаты, достижение которых можно обеспечить внедрение ГАП, а также порядок проведения работ по реализации, поставленной задачи.

Приступая непосредственно к разработке ГАП, базовое предприятие в первую очередь определяет состав технических средств, на основе которых будут создаваться модули ГАП. Это, прежде всего автоматизированное производственное оборудование, управляемое с помощью различных средств вычислительной техники, в частности станки с ЧПУ, управляемые от мини-ЭВМ и микропроцессоров.

Определив состав оборудования ГАП, необходимые сосредоточить внимание на подборе или разработке одного из основных компонентов - программируемых многофункциональных роботов. Только наличие роботов позволит перейти от автоматизации отдельных операций к комплексной автоматизации производственного процесса: при этом необходимо иметь в виду, что использование промышленных роботов в составе ГАП, качественно отличается от их традиционного применения. Если на предыдущем этапе механизации производства робот использовался главным образом как средство обслуживания существующего технологического оборудования, то в условиях функционирования модулей ГАП промышленные роботы в сочетании с другими средствами автоматизации позволяют создать предпосылки для значительного увеличения объемов производства за счет обеспечения работы второй и третьей смен без привлечения рабочей силы.

Принципиально новое значение приобретают в условиях ГАП автоматизированные транспортно-накопительные системы, обеспечивающие непрерывность производственного процесса, на протяжении второй и третьей рабочей смен.

При организации ГАП особое внимание следует уделить инструментальному обеспечению.

При разработке конструкций деталей, узлов и изделий должны учитываться требования, обеспечивающие возможность их изготовления в условиях ГАП.

Решение базовыми предприятиями всего комплекса задач разработки новой технологии, специальных видов оборудования, новых форм организация труда и производства, создание предпосылок для сближения физического и умственного труда требуют подготовки специальных квалифицированных кадров технологов, станочников, вкладчиков, программистов и других специалистов, призванных обеспечивать эффективное и бесперебойное функционирование ГАП на предприятиях отрасли.

Создание базовыми предприятиями отрасли головных участков ГАП позволит разработать и опробовать технические решения по созданию отдельных компонентов ГАП и определить взаимодействие всей системы в конкретных производственных условиях.

Основная задача, стоящая перед головными организациями и главными конструкторами по видам производств и компонентами ГАП, помимо оказания технической помощи базовым предприятиям в создании головных участков заключается в разработке на базе накопленного опыта типовых максимально унифицированных проектов ГАП по всем видам производства. Организация централизованного производства типовых компонентов модулей ГАП послужит основой быстрейшего внедрения ГАП на всех предприятиях отрасли. Для решения указанных задач необходимо:

-расширение программы работ по созданию комплексно-автоматизированных производств;

-создание и внедрение типовых модулей ГАП для различных типов производств и видов технологий;

-уточнение нормативно-технических материалов по созданию ГАП;

-разработка, математических моделей производственного процесса в условиях ГАП;

-организация производства типовых элементов общетехнического применения (режущего инструмента, высокомоментных электродвигателей постоянного тока, преобразователей частоты их вращения, индуктивных датчиков положения, устройств адаптации и т.д.;

-создание устройств автоматизированного управления на основе микропроцессорной техники, разработка, технологического и функционального математического и программного обеспечения;

-внедрение системы автоматизированного проектирования для разработки не только конструкций аппаратуры, но и технологических процессов, а также программ управления оборудования.

При внедрении ГАП предусматривается решение ряда организационно-технических вопросов в области:

разработки новых нормативов материального и морального стимулирования;

организации труда и управления;

подготовки кадров.

Программа комплексной автоматизации должна предусматривать автоматизацию не только производственных процессов, но и инженерного труда на основе широкого использования электронно-вычислительной техники. Как показывает опыт, применение ЭВМ при проектировании технологических процессов сокращает затраты инженерного труда в 20-25 раз. Например, трудоемкость проектирования технологического процесса механообработки корпусной детали: для изготовления которой, на станке надо выполнить 18 переходов и 80 операций, при использовании АРМ "Экран-Т" составляет 3,6 ч. а в случае проектирования традиционным методом, без применения ЭВМ - 76 ч.

При создании гибкого автоматизированного роботизированного производства наряду с решением технических задач большое внимание должно уделяться вопросам системного управления, приобретающим в условиях внедрения цехов-автоматов первостепенное значение. Эта проблема успешно решается с помощью той же вычислительной техники, которая используется для автоматизированного проектирования и локальных систем управления. Поэтому при проектировании ГАП необходимо предусматривать создание на крупных предприятиях вычислительных центров с применением мощных ЭВМ. Разрабатывая локальные системы управления робототехнологическими комплексами, необходимо ориентироваться на модульный принцип построения аппаратуры, максимальную унификацию этих модулей, использования в качестве модулей оборудования с ЧПУ и средств вычислительной техники, в том числе одноплатных микро-ЭВМ и однокристальных микропроцессоров. Основным критерием выбора тех или иных модулей следует считать экономическую целесообразность их применения.

В промышленно развитых странах на долю массового и крупносерийного производства приходится 20 %, а единичного мелкосерийного и серийного производства 80 % от общего объема производства. При этом в последующие годы ожидается постоянное повышение удельного веса мелкосерийного производства и снижение доли массового и крупносерийного производства, а также непрерывное сокращение сроков обновления номенклатуры выпускаемых изделий.

Успешное решение задач автоматизации в многономенклатурном единичном, мелкосерийном и серийном производстве и обеспечение быстрой перестройки производства на изготовление новых изделий в массовом и крупносерийном производстве возможно при создании и внедрении гибких автоматических или автоматизированных производств (ГАП), обеспечивающих автоматизацию как единичного, мелкосерийного и серийного, так и крупносерийного и массового производства, ГАП - это производство, управляемое сетью ЭВМ, способное к быстрой перестройке технологии изготовления при смене выпускаемых изделий и функционирующее на основе программного управления и групповой организации производства. ГАП представляет собой комплексную систему проектирования и производства изделий, охватывающую все этапы создания и производства, начиная от проектирования изделий и кончая упаковкой и отправкой их потребителю.

Представляя комплексную интегрированную систему, ГАП включает в себя подсистемы по всем составляющим технологическим переделам производства изделий (литейные процессы, кузнечно-прессовую обработку, сварку, механическую обработку резанием, сборку, испытания, упаковку и др.) и функционирует в составе системы АСУП-АСНИ-САПР-АСТПП-ГАП (автоматизированная система управления предприятием - автоматизированная система научных исследований - система автоматизированного проектирования - автоматизированная система технологической подготовки производства - ГАП). Подсистемы данной комплексной системы реализуют следующие функции: АСУП - управление производством, планирование подготовки производства, и загрузки для ГАП по номенклатуре и числу изделий: АСНИ и САПР - автоматизированное проектирование новых изделий с учетом требований ГАП; АСТПП - автоматизированное создание технологических процессов, оборудования и оснастки для ГАП. Следовательно, в комплексной интегрированной системе ГАП с помощью подсистем АСНИ, САПР, АСТПП и АСУП происходит автоматизированная разработка (с использованием сети ЭВМ) конструкции изделия, технологии его производства, средств технологического оснащения, управление технологическими процессами и передача полученных данных непосредственно в ЭВМ, управляющие работой технологического оборудования. При этом объединение всех функций подсистем осуществляется центральной ЭВМ предприятия на основе общего банка данных.

Одной из важных подсистем ГАП является ГАСП (гибкое автоматизированное сборочное производство), представляющее собой интегрированную систему, состоящую из нескольких гибких технологических комплексов сборки (ГТКСэ), обслуживаемых гибкой системой подготовки сборочного производства (ГСПСП), которая с помощью сети ЭВМ обеспечивает автоматизированное проектирование новых изделий, технологии сборки, оборудования и оснастки, а также сборочным производством всего предприятия. Такая структура ГАСП позволяет комплексно решать задачи сборочного производства, начиная от проектирования изделий, технологии сборки, оборудования и оснастки с использованием соответствующих САПР, управления технологическими процессами сборки через АСУТП до управления производством в целом через АСУП. ГТКС включает гибкую автоматизированную транспортно-накопительную и инструментальную систему и систему приспособлений, объединяющую несколько гибких технологических модулей сборки (ТМС), которые управляются от одной или сети ЭВМ. Гибкая автоматизированная транспортно-накопительная и инструментальная системы и система приспособлений служат для подачи со складов собираемых деталей (узлов), сборочного инструмента и приспособлений к сборочному оборудованию. Для переналадки ГТКС на сборку различных по конструкции изделий вводят соответствующую программу в управляющую ЭВМ и проводят (при необходимости) регулирование или замену соответствующего сборочного инструмента, и приспособлений или их элементов.

ГТМС представляет собой автономно функционирующее программируемое автоматическое сборочное оборудование, оснащенное устройствами автоматической подачи собираемых деталей (объектов) и смены сборочного инструмента и приспособлений, а также устройствами контроля в процессе сборки и диагностики неполадок и отказов в работе.

Важной и ответственной технологической задачей в начале проектирования ГАСП является определение оптимального уровня автоматизации и гибкости ГАСП. Гибкость ГАСП - свойство системы быстро и целенаправленно заменять свои технологические возможности путем переналадки при переходе на сборку новых изделий. Гибкость системы ГАСП определяется, прежде всего, разнообразием конструкций собираемых изделий, временем и трудоемкостью переналадки, возможностью перераспределения технологических функций при выходе из строя одного или нескольких элементов системы. Необходимая гибкость ГАСП должна, соответствовать наиболее экономичной структуры технологической системы, т.е. составу технологического оборудования, оснастки, транспортно-накопительных и инструментальных систем, управления и т.п.

Все большее применение в современных конструкциях высокоэффективных сборочных роботов получает ангулярная цилиндрическая и сферическая системы координат. Эти роботы имеют относительно высокую жесткость конструкции и точность позиционирования, а также значительное рабочее пространство. Они выполняют сложные движения в пространстве с высокой скоростью сборки. К эффективным конструкциям сборочных роботов, созданных за рубежом, относятся роботы: "Пума" фирмы "Юнимейшн" (США); мод. А-00, А-0 и А-I фирмы "Фанук"; мод. РА4-1, РА4-2, РА6-2, РС2-2, РР4-2 фирмы "Тоёта", "Скилам" фирмы "Санкио" и серии "Пикмат Скара" фирмы "Нитто Сейко" (Япония); "Прагма" фирмы ДЭА (Италия); "Сигма-МТГ" фирмы "Оливетти" (Италия); "Кадратик" фирмы "Сормель" (Франция); мод.В500 фирмы "Викман"(Англия) и др.

В основу создания ГАСП должен быть положен блочно-агрегатный принцип на базе типовых рядов механизмов, устройств и узлов в целях обеспечения унификации гибкого сборочного оборудования, оснастки и других компонентов ГАСП, а также возможности стыковки их с другими средствами технологического оснащения.

Следует также разработать в короткие сроки межотраслевые и отраслевые научно-технические программы по организации серийного производства составляющих компонентов ГАСП: гибкого технологического сборочного оборудования и его устройств, узлов и блоков; переналаживаемого сборочного инструмента и приспособлений, управляющих устройств; автоматизированных транспортных, накопительных, загрузочных и инструментальных систем; складов автоматов; систем контроля и диагностики технологического оборудования и управляющих устройств и т.п.

Для научно-методического руководства и координации всех работ по разработке и внедрению ГАП в республике целесообразно создать головное учреждение по роботизированным комплексам (РТК), гибким автоматизированным производствам, состоящее из научно-исследовательского института, конструкторского бюро и опытного завода по изготовлению и испытанию опытных и серийных образцов составляющих компонентов РТК и ГАП. Такое учреждение позволит формировать и реализовывать единую техническую политику, а также решать научно-технические и производственные проблемы в области РТК и ГАП.