СТРАТЕГИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

Стратегия автоматизации машиностроительного производства как основы технической политики определяется рядом аспектов, в том числе: I) правильным пониманием содержания и основной направленности работ по автоматизации; 2) объективной оценкой во времени перспективности и целесообразной области применения новых методов и средств автоматизации, их сочетанием, взаимосвязью с известными, традиционными.

Автоматизация производства трактуется часто как процесс замещения функций человека устройствами и системами управления и контроля, т.е. отождествляется с внедрением автоматики. При этом считается: что технологические процессы конструкции и компоновки машин остаются в основном прежними. Это неверно. Содержание производства составляют технологические процессы, именно в них закладываются все потенциальные возможности качества и количества выпускаемой продукции, эффективности производства; система управления (от ручной до автоматической самоорганизующейся) есть лишь форма реализации этих возможностей. Поэтому автоматизация производства в машиностроении представляет собой комплексную конструкторско-технологическую задачу создания новой техники, таких высокоинтенсивных технологических процессов которые недоступны для непосредственного выполнения человеком.

Чрезвычайную актуальность в рамках стратегии автоматизации приобретает проблема объективной оценки и разумного внедрения новейших методов и средств автоматизации. Любое техническое новшество, скольбы перспективным оно не было, проходит ряд стадии идея- макет - опытная конструкция - надежно работающая конструкция -экономически эффективная конструкция. Каждая стадия характеризуется совершенствованием параметров, систему которых в первом приближении можно свести к формуле: "быстродействие - надежность - стоимость". И лишь когда эти параметры укладываются в технико-экономические допуски, данное новшество созревает для производственного внедрения. Поэтому в технической политике недопустимо как запаздывание с разработкой первичных идей, так и реализация недостаточно созревших решений.

Один из принципиальных вопросов стратегии комплексной автоматизации - оптимальное сочетание новейших методов и средств с традиционными. В автоматических машинах и системах для массового производства широко используются принципы дифференциации и концентрации операций, совмещения их во времени что и составляет основу высокой производительности и эффективности.

Сегодня большинство станков с ЧПУ- одношпиндельные, однако неизбежен переход к использовании многошпиндельных и многопозиционных станков с ЧПУ.

Системы ЧПУ, прямого цифрового управления от ЭВМ и др. мобильны и поэтому эффективны при автоматизации серийного, а в будущем и единичного производства. Их значимость не в замене сложившихся технических решений, а в их дополнении, в реализации невыполнимых ранее функций управления, в первую очередь- организационно-экономических, Так, применение АСУ ТП с функциями технической и статической диагностики работы автоматических линий должно стать основой высокопроизводительной эксплуатации линий. Сокращения их простоев по техническим и организационным причинам.

Теперь обозначим некоторые тенденции развития средств автоматизации серийного и массового производства. Длительное время основным направлением комплексной автоматизации машиностроения было решение задач связанных с массовым производством, где создано и внедрено множество машин-автоматов и полуавтоматов, автоматических и поточных линий: 80-90% таких деталей, как блоки цилиндров и головки блоков двигателей, валы коробки передач и др. обрабатываются на автоматических линиях.

Однако, оборудование как правило является специальным т.е. на обработку других деталей не переналаживается. Переломным моментом в автоматизации серийного производства явилось появление машин с числовым программным управлением, сочетавших высокую производительность и мобильность благодаря наличию систем управления на электронной основе. В настоящее время с ЧПУ выпускаются сварочные машины прессы, станки для электрофизической и электрохимической обработки термической оборудование и др. Первоначально с ЧПУ строились главным образом металлорежущие станки-полуавтомат токарной, фрезерной, расточной и сверлильной групп.

А теперь расскажем о некоторых тенденциях развития оборудования с ЧПУ, характерные для современного этапа научно-технического прогресса.

Первая тенденция - переход от станков - полуавтоматов к автоматам, что диктуется требованием повышения производительности и экономической эффективности. Станки с ЧПУ в несколько раз дороже обычных станков той же производительности. Поэтому они во многих случаях окупаются только при круглосуточном использовании. Однако на машиностроительных предприятиях режим работы 2х сменный. Чтобы обеспечить круглосуточную работу станка при 2х сменном обслуживании станок снабжают автоматическим магазином для заготовок и обработанных изделий, вместимость которого обеспечивает работу в течении одной смены. Так, для станков по обработке корпусных деталей такие магазины выполняют в виде транспортера с шаговым перемещением, где детали закрепляют на специальных приспособлениях - спутниках. Работа транспортера включается в единый программируемый рабочий цикл станка.

Вторая тенденция - переход к многоинструментальной и многопозиционной обработке. Сколько бы ни было инструментов в магазине обычного станка с ЧПУ, в любой конкретный момент происходит обработка только одной детали одним инструментом, т.е. отсутствует совмещение операции как важнейший фактор повышения производительности. Последовательная без совмещения обработка всех элементов сложных деталей занимает длительное время. Так, обработка станин станков продолжается 6-40 ч. Для сравнения можно отметить, что интервал времени выдачи блоков цилиндра двигателей автомобиля на автоматической линии с дифферентацией и концентрацией операций, составляет 1,0-1,5 мин. Поэтому принципы разработанные и реализованные при автоматизации массового производства, должны быть перенесены на оборудование для серийного производства.

В простейшем случае это означает параллельную обработку соответствующими инструментами нескольких одинаковых деталей закрепленных на одном столе.

Другой способ реализации принципов совмещения операций - создание многопозиционных станков с многосторонней обработкой детали одновременно несколькими инструментами.

Однако, наиболее радикальное решение расматриваемых принципов - это создание станков с многошпиндельными коробками, что позволяет вести обработку конкретных деталей одновременно многими инструментами.

Третья тенденция развития автоматизированного оборудования для серийного производства - создание унифицированных конструкций вместо специально разрабатываемых в каждом отдельном случае. В простейшем виде это создание гаммы оборудования на одной базе.

С точки зрения автоматизации унификация выполнялась как правило, "по горизонтали", т.е. в единую гамму включались например, универсальные токарные станки с ручным управлением, а токарноревлдверные автоматы имели свою гамму, свои типоразмеры и т.д. Между тем весьма перспективна унификация оборудования "по вертикали". Например, применительно к оборудованию для обработки корпусных деталей все станки единой гаммы можно компоновать из нормализованных, конструктивно автономных узлов, число которых определяется степень автоматизации. Базовая модель многооперационный станок - автомат с автоматическим магазином инструментов, управляемой от ЭВМ, т.е. оборудование с высшей степенью автоматизации. Все остальные модели формируются на основе базовой путём "вычитания" функциональных узлов со снижением степени автоматизации.

Унификация оборудования как "по горизонтали" так и "по вертикали" позволит значительно повысить его экономичность и надежность в работе.

Четвертая тенденция, которая все более влияет на развитие средств автоматизации серийного производства - это переход от индивидуальных пультов программного управления к специальным управляющим линии ЭВМ, что стало возможным благодаря успехам микроэлектроники и вычислительной техники. Переход от элементов с малой степенью интеграции, которые применялись в традиционных пультах ЧПУ, к большим интегральным схемам (БИС) позволяет резко уменьшить габариты управляющих устройств, повысить надежность в работе, расширить функциональные возможности управления. Следующим шагом является переход от специальных БИС к универсальным - так называемым микропроцессорам

И, наконец, наиболее общей тенденцией развития средств автоматизации серийного производства является переход от отдельных не связанных между собой станков с индивидуальными процессорами, к автоматизированным технологическим комплексам, управляемым от ЭВМ, т.е. переход от локальной автоматизации к комплексной.

Такой комплекс включает:

а) комплект технологического оборудования, необходимого и достаточного для обработки определенного типа деталей (валов, шестерен, корпусов и т. д.)

б) транспортно-накопительную систему.

в) АСУ ТП, которая реализует не только непосредственно управляющие (технологически необходимые) но и информационные функции, (учет работы оборудования и количества изделий, экономические показатели работы комплекса и т. д.) Такие системы строятся для весьма широкой номенклатуры обрабатываемых деталей - с различными методами и маршрутами обработки. Поэтому в основе их лежит гибкая межагрегатная связь, т.е. независимость функционирования технологического оборудования и сложная транспортно-загрузочная система для обеспечивания широкой вариантности транспортных маршрутов.

Одной из особенностей научно-технического прогресса на современном этапе в условиях как массового, так и серийного производства является широкое распространение промышленных роботов. Оно обусловлено, с одной стороны, массовой необходимостью в автоматизации многокоординатных перемещений деталей или инструментов с другой - достигнутыми успехами в создании механизмов автоматической загрузки (автооператоров, манипуляторов), систем автоматического управления и регулирования и т. д.

ПР. строится для выполнения 2х основных видов работ:

а) технологических процессов (сварки, окраски, сборки и др.), когда захваты роботов манипулируют главным образом технологическими инструментами.

б) вспомогательных процессов (загрузки и объема деталей, их транспортирования между агрегатами и т. д.), когда захваты роботов манипулируют штучными изделиями.

По своей структуре роботы универсальны, т.е. имеют комплекты функциональных элементов, позволяющие реализовать любые из перечисленных видов работ, однако большинство конструкций имеет более узкое назначение.

Важнейшее преимущество ПР - возможность реализации циклов перемещений любой сложности с переналадкой длительным поддержанием параметров процесса на необходимом уровне, что невыполнимо при ручных работах. Основные недостатки ПР помимо их значительной стоимости невысокие быстродействие и точность позиционирования.

Так операции автоматической загрузки и сборки, связанные с перебазированным конструктивных элементов - самые ненадежные в технологическом цикле. Исследования работоспособности специализированных загрузочных механизмов-автооператоров показали, что в токарных автоматах на долю указанных операций приходится до 70% всех отказов.

Ясно, что вместе с совершенствованием конструкций роботов, переходом от просто функционирующих к быстро и надежно работающим необходимыми научно-обоснованный поиск наиболее благоприятных условий их работы при первичном внедрении. Можно указать, например, на загрузку многопозиционных машин, которая совмещается с обработкой натранспортированиах очень тяжелых и очень мелких деталей и т. д. Исследование конкретных условий эксплуатации роботов и вытекающих отсюда требований должны стать основой совершенствования их конструкций.

Итак, мы кратко рассказали о четырех основных тенденциях развития средств автоматизации серийного и массового производства, указали на значение ПР в ускорении этого закономерного процесса. Теперь перейдем к рассмотрению нашей основной темы: автоматизации транспортных погрузочно-разгрузочных работ. Тема, как вы сами знаете, очень широкая и многоаспектная. Трудно да и невозможно найти отрасль народного хозяйства где бы не применялись эти работы. Поэтому не стремясь объять необъятное мы рассмотрим эту тему применительно к машиностроительному производству, и здесь она имеет следующий вид: автоматизация загрузки-выгрузки изделий-основное направление автоматизации станков.

Мы будем рассматривать эту тему применительно к конкретным технологическим процессам. Типовые технологические процессы обработки тел вращения, основные на разнообразных токарных и шлифовальных операциях создают предпосылки не только для создания и использования типового технологического оборудования пригодного для встраивания в автоматические линии, но и типовых транспортно-загрузочных систем

Структура загрузочно-транспортных систем.

Несмотря на различие в конструктивных особенностях обрабатываемых деталей, методах обработки и характере технологического оборудования, транспортно-загрузочные системы автоматических линий обработки тел вращения типа колец и валов имеют много общего.

Это общность выражается прежде всего в структуре систем транспортирования и загрузки-выгрузки, номенклатуре основных функциональных узлов, характере влияния их на технико- экономические показатели автоматических линий в целом. Загрузочно-транспортные системы линий обработки колец.

Автоматические линии обработки деталей типа колец создаются на базе универсальных и специальных автоматов путем оснащения их механизмами автоматической загрузки и выгрузки деталей - автооператорами и механизмами межстаночного транспортирования: транспортёрами, подъемниками, лотковыми устройствами, магазинами и бункерами - накопителями и т. д.

Основным способом межстаночного транспортирования является качение колец под действием сил собственной тяжести в лотках, что позволяет использовать лотковые устройства не только для транспортирования, но и для создания межоперационных заделов. Наибольшее распространение получили комплексные автоматические линии, на которых осуществляется весь технологический процесс обработки колец, а так же сборка и контроль подшипников. На таких линиях основные операции выполняются на нескольких параллельно работающих автоматах (до 15-18). При этом на каждом технологическом участке (заготовительном, токарном и др.) количество параллельно работающих станков, как правило, различно. Поэтому комплексная линия компануется из отдельных автоматических линий, каждая из которых представляет собой систему автоматов, работающих параллельно и связанных единой транспортно-загрузочной системой, включающий единый транспортер-распределитель, лотки автоматов, отводной транспортер, подъемник.

Наибольшее распространение получили системы с цепными транспортерами, где кольца в едином потоке до и после обработки транспортируются принудительно, с помощью бесконечной непрерывно движущейся цепи. Таким образом, транспортно-загрузочные системы автоматических линий обработки тел вращения типа колец компонуются из следующих функциональных узлов: подъемники, транспортеры-распределители, подводные лотки, отводные лотки, отводные транспортеры, автооператоры.

Транспортирование, распределение и сбор заготовок и готовых деталей выполняются вне рабочих зон технологического оборудования функции межоперационнаго транспортирования (распределением и сочинением потоков) и загрузки-выгрузки деталей четко разделены, при транспортировании широко используется качение под действием сил тяжести.

Загрузочно-транспортные линии обработки валов.

В автоматических линиях обработки тел вращения типа валов в отличие от линий обработки колец до настоящего времени не сложилась доминирующих принципов построения транспортно-загрузочных систем что объясняется сложностью транспортировки изделий данного типа. Сложная конфигурация обрабатываемых деталей с большим отношением длины к диаметру, а также большое количество сливной стружки, выделяющейся при обработке, практически исключают возможность межстаночной транспортировки деталей качением под действием силы тяжести. Необходимость обработки деталей со всех сторон не позволяет применять обработку и транспортировку на приспособлениях спутниках, с использованием простейших транспортирующих устройств, характерных для линии обработки корпусных деталей. Поэтому транспортирующие механизмы автоматических линий обработки ступенчатых валов конструктивно сложнее, имеют длительное время срабатывания, что отражается на их надежности. Наиболее простой в конструктивном отношении является сквозная система транспортирования, при которой поток деталей проходит непосредственно сквозь рабочие зоны встроенных в линию станков, а функции загрузки-выгрузки и межстаночного транспортирования совмещены.

Такая транспортно-загрузочная система проста и содержит минимальное количество приводных механизмов, гидро и электроаппаратуры управления, т.е. элементов, наиболее подверженных отказам. Однако системы данного типа жестко блокируют между собой все станки линии или ее участка, отказ любого механизма или устройства вызывает простой всей линии. Обрабатываемые детали транспортируются непосредственно сквозь рабочие зоны станков, насыщенные механизмами, инструментами и сливной стружкой. Это затрудняет отвод последней. Так как валы лежат на призмах свободно под действием силы тяжести, то они могут упасть с транспортера и попасть в зону отвора, что приводит иногда к авариям. Поэтому конструкторы усложняют в некоторых случаях конструкции транспортно-загрузочных систем, а именно разделяет функции транспортирования и загрузки-выгрузки.

В автоматических линиях обработки валов, где основной поток обрабатываемых деталей проходит вне рабочих зон станков, а функции транспортирования и загрузки разделены, появляется возможность встраивания в линию не только последовательно, но и параллельно работающих станков. В целом, транспортно-загрузочные системы автоматических линий обработки тел вращения могут компоноваться из следующих функциональных узлов:

I.) загрузочные устройства

2.) транспортеры-распределители

3.) подъемники

4.) приводные и отводные лотки

5.) разгрузочные устройства

6.) автооператоры.

Наиболее сложными и ответственными являются механизмы автоматической загрузки-выгрузки деталей - автооператоры. Автооператорами называются механизмы для автоматической загрузки – ориентированных деталей (тел вращения ), их сьема после обработки и удаления из рабочей зоны. В соответствии с указанным целевым назначением автооператор в общем виде должен выполнить следующие элементарные функции:

а) отделить одну или несколько заготовок от общего потока

б) подать заготовку в зажимной патрон (на оправку)

г) снять обработанную деталь из рабочей зоны.

Автооператоры получили широкое распространение не только в автоматических линиях, но и для питания отдельных станков. Так, магазинное устройство состоит из магазина-накопителя иватооператора. Бункерное загрузочное устройство состоит из двух основных узлов: бункерно-ориентирующего устройства и автооператора, между этими узлами расположен лоток-накопитель.

Автооператоры могут быть классифицированы по различным признакам: по характеру рабочих движений (возвратно-поступательное, качающееся, сложное), количеству ходов питателя (одноходовые, двухходовые), типу привода (механический, гидравлический) и т.д. Все эти классификации имеют в основе кинематические и конструктивные особенности, но не отражают факторов определяющих надежность работы автооператоров. Такими факторами являются: технологические условия обработки на станках, оснащенных автооператорами (размеры, точность, геометрические формы заготовки, характер обработки, количество и вид стружки, компоновка станка и т.д.) и требования к быстрому срабатыванию автооператора. Различие этих условий не позволяет находить единые решение, пригодные для всех станков, например, для одношпильных патоматов решающее значение - имеет быстрота срабатывания автооператоров, в то время для многошпиндельных этот показатель такого решающего значения не имеет, так время загрузки заготовок и выгрузки обработанных деталей совмещается с обработкой.

В заключении, несколько слов для обосновании целесообразности автоматизации загрузки-выгрузки. По применяемому технологическому оборудованию все автоматические линии для обработки деталей типа колец и валов можно разделить на две основные категории:

I. автоматические линии из специального оборудования

2. автоматические линии из типового оборудования

Автоматическая линия из специального оборудования является уникальной, т.е. для нее разрабатывается технологический процесс с применением принципиально новых методов и схем обработки, заново проектируется технологическое оборудование, транспортно-загрузочная система управления и т.д. Такие линии имеют высокую производительность и за частую стоимость.

Автоматическая линия из типового оборудования создается на базе типовых станков, пригодных для встраивания в линию, либо модернизируемых для этой цели: при этом технологические процессы, основные механизмы и компоновка типовых станков, апробирования в поточных линиях, полностью сохраняются. Таким образом автоматическая линия из типового оборудования отличается от поточной линии из аналогичного оборудования прежде всего наличием транспортно-загрузочный системы.

Если автоматические линии из специального оборудования обеспечивают экономический эффект вследствие высокой производительности и сокращения количества обслуживающих рабочих, то линии из типового оборудования обеспечивают экономию фонда заработной платы рабочих-операторов и вспомогательных рабочих, функции которых заменяются автоматическими механизмами загрузки-выгрузки и межстаночного транспортирования, поэтому вопросы обоснования целесообразности создания автоматических линий из типового оборудования более просты. Линии этого типа получили наибольшее распространение даже в таких отраслях как подшипниковая промышленность. Однако создание и внедрение автоматических линий на базе типового оборудования оснащенного транспортно-загрузочной системой, не является заведомо эффективным направлением автоматизации. Часто автоматические линии, созданные, казалось бы, по всем правилам и на современном техническом уровне, в условиях эксплуатации оказывались малоэффективными или даже убыточными. Выделяют две группы причин.

I. Технические причины.

Мероприятия по разработке и внедрению новых технологических процессов, машин и механизмов, всегда имеют определенную степень технического риска, вероятность того, что разработанные конструкции окажутся неработоспособными. Не все новые технологические процессы, механизмы и машины, особенно те, которые не прошли достаточно апробирования в лабораториях и экспериментальных цехах отвечают объективным требованиям надежности и качества и могут быть "доведены" до необходимого уровня работоспособности.

К организационно-техническим причинам относятся: недостаточное сокращение затрат ручного труда и невозможность эффективного использования высвобождаемого времени рабочих- операторов, снижение производительности оборудования после механизации автоматизации вследствие надежности срабатывания новых механизмов и устройств или непригодности существующих технологических процессов для автоматизированного производства, плохая совместимость новых механизмов и устройств (например, загрузочных, транспортирующих и контрольных) с имевшимися ранее (зажимные механизмы) или с инструментальными наладками, заготовками низкого качества и т.д. Неудачи многих даже очень крупных работ по механизации и автоматизации производственных процессов объясняются прежде всего недостаточным изучением, отсутствием конкретного инженерного анализа конкретных условий того производства, которые намечается автоматизировать.