АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА

Автоматизация производства процесс в развитии машинного производства, при котором часть или весь комплекс операций по качественному преобразованию состояния исходного сырья, управлению и контролю, ранее выполнявшиеся человеком, передаются автоматическим устройством и прибором.

Основная цель А.П. - повышение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции, создание условий для разумного использования ресурсов производства, соблюдение норм экологии, обеспечение высокого социального и культурного уровня общества. Различают частичную, комплексную и полную А.П.

Частичная А.П. - автоматизация рабочего цикла машины, создание машин-автоматов и полуавтоматов.

Комплексная А.П. - создание автоматических участков, цехов и заводов, которые функционируют как единый взаимосвязанный автоматический комплекс. Она целесообразна в условиях высокоразвитого производства на базе прогрессивной технологии и методов организации и управления с применением ЭВМ и других надежных технических средств и оборудования, включая промышленные роботы, действующие по заданной им самоорганизующейся программе при общем контроле за работой всего комплекса со стороны человека или ЭВМ.

Полная А.П. - предусматривает управление комплексно-автоматизированным производством без участия человека; проводится, когда производство рентабельно, устойчиво, а при изменившихся условиях имеется научно-техническая база, позволяющая адаптироваться в автоматическом режиме на полный цикл производства по выпуску новой продукции, что характерно для гибкого автоматизированного производства (ГАП).

При определении степени А.П. учитывается экономическая эффективность и целесообразность автоматизации исходя из конкретных условий производства.

А.П. претерпевает новый качественный скачок, что выражается в разработке компонент, комплексов и новых систем гибкого автоматизированного производства, а основанных на использовании станков с ЧПУ, промышленных роботов, математических моделей и средств вычислительной техники.

Промышленные роботы повышают коэффициент использования технологического оборудования, высвобождают живой труд из сферы вредного технологического процесса, что обуславливает эффективность их применения в различных отраслях промышленности республики в составе отдельных единиц оборудования, автоматических поточных линий и других автоматизированных систем.

В А.П. важную роль играет кибернетическая система управления отдельным или комплексом оборудования с помощью ЭВМ. Это позволяет осуществить:

- расширение возможностей технологического оборудования за счет совершенствования, установления на них датчиков информации и обслуживания ЭВМ;

- группового управления различными по конструкциям технологического оборудования на основе соответствующих программ;

- простоту обучения оборудования и изменение программ управления;

- расширение видов операций, записываемых в блоки памяти;

- возможность выполнения различных операций.

К числу важнейших задач, относятся всемерное развитие производства и широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров и микро-ЭВМ.

В последние годы в нашей стране выполнена огромная работа по автоматизации и механизации производственных процессов в промышленности: внедрены тысячи поточных и автоматических линий, автоматических участков. Все более широкое применение в управлении и контроле за ходом производства находят ЭВМ. Налажен выпуск крупными сериями различных моделей станков с числовым программным управлением. Все это привело к значительному увеличению производительности труда, высвобождению от ручного, утомительного и малоквалифицированного труда сотен и тысяч рабочих, повысило организацию и технический уровень производства.

Однако успехи автоматизации производства до недавнего времени распространялись главным образом на массовое и крупносерийное производство, характеризующееся стабильностью ограниченной номенклатуры и большим объемом выпуска изделий. Серийное, мелкосерийное и единичное производство, на долю которого в машиностроении приходится 75% всего объема производства, в силу частой смены объектов производства и в связи с этим преобладания технологической формы специализации ограничивалось использованием отдельных достижений в области частичной автоматизации производственных процессов, важнейшим из которых является применение станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Использование станков с ЧПУ оказало существенное влияние на технологию и организацию производства. Значительное повышение производительности труда при этом может быть получено лишь в случае коренной перестройки технологического процесса, использования методов групповой обработки и сборки, высокой степени концентрации технологических переходов и операций.

В области организации производства использование станков с ЧПУ многооперационных станков ведет к значительному сокращению длительности производственного цикла и уменьшению затрат на связывание средств в незавершенном производстве, распространению формы многостаночной работы и улучшению организации и обслуживания рабочих мест. Одновременно использование оборудования с ЧПУ усилило предпосылки ликвидации противоречия между высоким общеобразовательным уровнем современных рабочих и содержанием труда. Труд наладчиков, например, при этом может быть уподоблен труду инженера. Вместе с тем, остающаяся при частичной автоматизации доля ручного труда становится в ее в большей степени трудом незначительной сложности, сводящимся к действиям человеческой руки, которые, если бы их передали машине, можно было бы назвать антропоморфными.

Несмотря на достигнутые успехи в области механизации и автоматизации производственных процессов в промышленности, целый ряд основных и вспомогательных технологических операций, таких, как загрузка-разгрузка станков, поточных и автоматических линий, окраска, дробеструйная обработка, нанесение защитных покрытий и ряд операций сварки до недавнего времени не удавалось автоматизировать, используя для этого традиционные средства. Экономически эффективное решение этой проблемы стало возможным с появлением промышленных роботов, интенсивное создание которых началось в последнее десятилетие.

Промышленный робот (ПР) - это машина-автомат, предназначенная для выполнения разнообразных механических  действий, подобных выполняемым человеком, занятым физической работой. Такая машина позволяет оперативно переходить на выполнение новых операций и состоит из одного или нескольких манипуляторов (механических рук) управляющего устройства, осуществляющего автоматическое управление манипуляторами и, когда это требуется, средствами передвижения (произвольного типа).

Универсальность применения, т.е. возможность не только выполнять механические операции различного характера, но и быстро (оперативно) перестраиваться на новые, является принципиальным отличием промышленных роботов от более традиционных средств автоматизации. Появление промышленных роботов – результат объективных коренных потребностей производства на современном этапе научно-технического прогресса.

Вторая отличительная особенность промышленных роботов как средства автоматизации производства связана с тем, что, несмотря, на возможности самостоятельного выполнения отдельных основных технологических операций (сварка, нанесение покрытий, сборка и т.п.), их главное  назначение - выполнение всевозможных вспомогательных операций по обслуживанию основного технологического оборудования (станков, прессов, литейных машин и т.п.). Поэтому внедрение промышленных роботов отличается от внедрения, например, станков-автоматов, необходимостью самой тесной увязки с окружающими основным  технологическим оборудованием вплоть до внесения изменений в их конструкцию и режим работы.

Высвобождая человека, роботы становятся той универсальной составляющей производственного процесса, которая, обеспечивая автоматизацию отдельных технологических операций, одновременно связывает их в единый комплексно-автоматизированный (роботизированный) процесс в виде системы машин, централизованно управляемых от ЭВМ, и является основой (нижним этажом) АСУПП. При этом,  в соответствии с первой указанной выше особенностью промышленных роботов, комплексно-автоматизированное на их базе производство обладает той требуемой от современного производства гибкостью в отношении возможности внесения изменений в технологию производства, выпускаемую продукцию и освоение новых видов продукции, какая присуща сегодня только неавтоматизированным производствам, обслуживаемым людьми, т.е. серийному, мелкосерийному и единичному производству.

Промышленные роботы являются, таким образом, мощным средством комплексной автоматизации современного производства, а также создания принципиально новых производственных процессов, нереализуемых при участии человека. Их применение позволяет повысить производительность труда, ритмичность производства, сменность работы оборудования, качество продукции и снизить брак.

Высвобождая рабочих, занятых физическим трудом и прежде всего на опасных, утомительных и неквалифицированных работах, промышленные роботы позволяют более рационально использовать трудовые ресурсы и дают не менее важный для нашего общества социальный эффект.

Анализ областей применения промышленных роботов в различных отраслях промышленности и типах производства, изучение перспектив применения их в зависимости от серийности выпускаемой продукции позволяют сделать вывод, что промышленные роботы могут быть эффективно применены как в условиях массового, так и в условиях мелкосерийного производства.

В массовом и крупносерийном производстве с быстрой сменой объекта производства (автомобилестроение, радиопромышленность, производство электробытовых приборов и некоторых других видов продукции) перспективным является применение роботов для обслуживания агрегатных станков и переналаживаемых автоматических линий на операциях загрузки – выгрузки станков, на начальных и конечных позициях линий, для межстаночного транспортирования. Применение промышленных роботов позволяет осуществить комплектацию и запуск таких линий в более короткие сроки, повысит обратимость оборудования.

Как показал опыт зарубежных стран, роботы могут, в частности, эффективно применятся также для замены специального вспомогательного оборудования на отдельных операциях автоматических линий в период модернизации или его замены. В этом случае необходимость останавливать линию, на длительное время отпадает, а затраты на программирование и перевооружение робота оказываются значительно ниже, чем потеря вследствие простоя линии в течение всего периода модернизации или замены специализированного вспомогательного оборудования на конкретной операции.

В области серийного и мелкосерийного производства наиболее перспективно применение роботов в сочетании со станками с ЧПУ. Это позволит на базе групповой обработки автоматизировать изготовление небольших партий деталей.

В любой области применения промышленный робот должен рассматриваться как элемент производственного комплекса, включающего в себя основное технологическое оборудование, вспомогательное оборудование и устройства, расширяющие эксплуатационные возможности робота (транспортно-накопительную систему), контрольно-измерительные приспособления, и ряд других устройств, объединенные общей системой управления.

Изучение отечественных и зарубежных работ, посвященных проблемам использования промышленных роботов, а также конкретные расчеты, проведенные для ряда ленинградских предприятий, в целом подтвердили, что применение роботов оказывает существенное влияние на такие важные экономические характеристики, как производительность труда, объем производства продукции,  себестоимость, рентабельность, фондоотдача.

Рост производительности труда обеспечивается, с одной стороны, увеличением объема производства, с другой - сокращением численности производственных рабочих.

Рост объема производства происходит вследствие улучшения использования оборудования, повышения его производительности и снижения брака, при этом улучшение использования оборудования достигается за счет  факторов экстенсивного и интенсивного характера. Факторы интенсивного характера предусматривают улучшение использования оборудования в единицу времени. В данном случае это достигается в результате сокращения трудоемкости вспомогательных операций (загрузка - выгрузка деталей транспортировка и т.п.). Повышение экстенсивного использования оборудования предусматривает увеличение времени его работы. В условиях роботизации это обеспечивается сокращением различного рода потерь рабочего времени и повышением сменности работы оборудование. Как известно, низкая сменность работы оборудования в ряде случаев объясняется недостатком рабочей силы.

По результатам обследования предприятий машиностроения внутрисменные простои из-за отсутствия рабочих составляют в среднем 12-23% (большая величина относится к металлорежущим станкам, кузнечно-прессовым и электросварочным работам). Целосменные простои по этой же причине составляют 33-47% (большая величина также относится к металлорежущим станкам). Применение роботов позволяет значительно снизить простои оборудования.

Снижение брака продукции происходит вследствие устранения влияния таких индивидуальных и субъективных факторов, как квалификация, опыт, утомляемость рабочего, его физическое состояние.

В условиях роботизации происходит абсолютное и относительное сокращение численности производственных рабочих. Абсолютное сокращение обуславливается сокращением численности рабочих на вспомогательных операциях вследствие их замены роботами. Под относительным сокращением понимается возможность увеличении объема производства при той же численности производственных рабочих вследствие значительно более высокого годового эффективного фонда времени работы оборудования в результате использования промышленных роботов.

Значение этих факторов выходит за рамки отдельного предприятия и является основой решения проблемы дефицита рабочих станочников в промышленности в целом, прежде всего за счет сокращения занятости их на вспомогательных операциях.

Увеличение объема производства в условиях роботизации приводит к снижению себестоимости продукции в результате уменьшения доли условно-постоянных накладных расходов на единицу продукции, сокращения непроизводственных расходов, таких, как оплата сверхурочных работ, оплата простоев рабочих и снижение потерь от брака, а также снижение удельной величины затрат по содержанию и эксплуатации оборудования. Снижение себестоимости продукции достигается за счет экономии заработной платы рабочих, высвобождаемых абсолютно и относительно. По оценкам зарубежных специалистов эта составляющая является самой значительной  при оценке экономической эффективности промышленных роботов. В частности, в США и Швеции, при оценке эффективности роботов на первое место ставят количество высвобождаемых рабочих и уровень их заработной платы. Экономия на заработной плате образуется также вследствие опережающего темпа роста производительности труда по сравнению с темпом роста заработной платы.

Применение промышленных роботов позволяет улучшить использование производственных фондов, которые характеризуются показателями рентабельности, фондоотдачи. При этом рентабельность увеличивается следствие увеличения общей суммы прибыли, получаемой в результате роста объема производства.

Для оценки экономического эффекта от применения промышленных роботов в конкретном производстве необходимо провести комплексный технико-экономический анализ с учетом технических параметров всех агрегатов, входящих в роботизируемый производственный комплекс, основных характеристик и особенностей технологического процесса, честных организационных и технико-экономических показателей, а также социальной и политической значимости роботизации данного производственного процесса.

Методика оценки экономической эффективности применения промышленных роботов должна основываться, прежде всего, на общей теории оценки экономической эффективности капитальных вложений. Однако в конкретном ее применении должны найти отражение специфические особенности такого средства автоматизации, как промышленный робот. Эта специфика проявляется, прежде всего, в составе роботизированного комплекса как объекта экономического анализа. В него следует включать:

-рабочее оборудование, на котором выполняются операции технологического процесса;

-промышленные роботы;

-систему управления комплексом в целом;

-вспомогательное оборудование, которое требуется для эксплуатации комплекса;

-транспортные средства для доставки материалов, заготовок готовых изделий;

-устройства для хранения необходимых запасов материалов, заготовок, деталей или для размещения деталей на промежуточных операциях (при обслуживании роботом нескольких рабочих агрегатов);

-запас необходимых материалов, заготовок, представляющих различного вида заделы;

-запас необходимой технологической оснастки;

-постоянный гарантийный ремонтный запас деталей и элементов необходимый для нормальной эксплуатации комплекса;

-устройства обеспечения других необходимых условий нормальной эксплуатации комплекса (вентиляционные, защитные и др.)

-производственные площади, занимаемые комплексом;

-прочие возможные элементы, которые выявляются при изучении материального состава комплекса как объекта экономического анализа.

Все расчеты экономического характера для оценки целесообразности применения промышленных роботов должны выполнятся с учетом этого полного состава объекта исследования.

Кроме того, одним из важных факторов, который следует учитывать при экономическом обосновании роботизации, является надежность. Недостаточная надежность технических устройств роботизированного комплекса соответственно снижает эффективность роботизации производства. Поэтому возникает необходимость исследования экономической эффективности различных мероприятий по надежности и выявлению оптимальной в этом смысле структуры роботизируемого комплекса. Например, известно, что чем универсальнее робот, тем он сложнее и менее надежен. Использование в составе роботизируемого технологического комплекса более дешевых и надежных, но менее универсальных роботов приводит к необходимости включать в состав технологического комплекса дополнительное оборудование, компенсирующее снижение функциональных возможностей роботов (при этом предполагается, что надежность этого оборудования существенно выше, чем надежность роботов). Проектирование и изготовление такого специального оборудования требует  дополнительных затрат, а его размещение, как  правило, приводит к увеличению производственных площадей, занимаемых комплексом.

Каждому сочетанию технических средств комплекса в общем случае соответствует вполне определенная система управления. Различными будут для этих вариантов как капитальные, так и эксплуатационные затраты за весь срок службы комплекса. Поэтому возникает задача определения такого состава технических устройств, входящих в состав роботизированного технологического комплекса (включая промышленные роботы и систему управления), который соответствует минимуму затрат на его проектирование, изготовление и эксплуатацию за весь срок службы технического комплекса.

При определении состава комплекса и соответственно экономическом его обосновании важным вопросом является выбор числа единиц основного оборудования, обслуживаемого одним роботом. В настоящее время этот выбор определяется по критерию минимального времени простоя обслуживаемых роботом станков или максимума их загрузки. При этом не учитывается, что при увеличении числа единиц оборудования, обслуживаемых одним роботом, усложняется и соответственно удорожается система управления роботом стоимость, которой может стать даже определяющей при выборе варианта. Поэтому при выборе числа единиц основного оборудования, обслуживаемых одним роботом, необходимо учитывать не только простои оборудования, но и стоимость системы управления при сохранении заданной надежности всего комплекса.

При комплексной механизации и автоматизации участков и цехов роботы внедряются также и на складских и транспортных операциях. Это выдвигает специфическую задачу упорядочения транспортных маршрутов, совершаемых роботами или другими автоматическими транспортными средствами. Для действующих цехов эта задача сводится к транспортной задаче линейного программирования на минимуме суммы перемещений всех транспортных средств. Для вновь проектируемых цехов она ставится как квадратичная задача о назначениях, при решении которой определяется оптимальная величина суммарных перемещений транспортных средств и взаимное расположение оборудования в соответствии с выбранным стоимостным критерием.

Механизация и автоматизация производства обусловлены решением не только экономических, но и социальных задач: улучшение условий труда, ликвидация тяжелых и опасных для здоровья трудящихся видов работ, улучшение культуры производства.

Проводимые исследования социальных аспектов роботизации производственных процессов показали, что ряд важных социальных последствий роботизации может и должен быть количественно измерен и учтен в расчетах экономической эффективности применения промышленных роботов. Например, установлено, что с внедрением роботов уменьшается текучесть кадров, что позволяет снизить дополнительные затраты на  восполнение недостатка в рабочих, а также снизить ущерб в производстве, ущерб от текучести кадров образуется вследствие недополучения предприятием продукции в течение примерно двух недель от увольняющихся работников, выработка которых снижается в среднем на 20% и от вновь принятых рабочих, выработка которых в течение 1-3 месяцев работы оказывается сниженной не менее чем на 10% в зависимости от их специальности. Кроме того, текучесть кадров обуславливает дополнительные затрата на организацию работы по приему и увольнению, на подготовку кадров, на строительство объектов жилищно-бытового и социально-культурного назначения.

Необходимо учитывать также, что роботизация позволяет уменьшить количество профессиональных заболеваний, сократить затраты на социальное обеспечение за счет сокращения травматизма на производстве, сократить затраты на лечение и на мероприятия по охране труда и технике безопасности.

В настоящее время изменение затрат, определяемых всеми этими факторами, не учитывается в  экономических расчетах. Учет социальных факторов в расчетах позволит более точно определять область экономически эффективного применения промышленных роботов в условиях нынешнего способа производства.

Из изложенного, прежде всего, видно, что развитие и углубление комплексной механизации и автоматизации производственных процессов на базе применения промышленных роботов, создание автоматизированных участков, цехов и заводов сопровождается значительными экономическими и социальными последствиями, предопределение которых затруднительно, так как, с одной стороны, расчетные задачи становятся не многовариантными и число переменных, т.е. число факторов, которые необходимо учитывать с развитием средств автоматизации возрастает, с другой стороны, целый ряд условий, подлежащих учету, носит вероятностный характер и определяет степень экономического и социального риска принимаемых решений. Таким образом, перед проектировщиком встает сложная задача организации автоматизированной производственной системы.

Современные методы экономического обоснования технических решений, которые успешно применяются в промышленности для оценки экономической эффективности сравнительно простых, единичных мероприятий по созданию и использованию новой техники, непосредственно непригодны для обоснования вариантов  комплексной автоматизации производственных процессов с применением промышленных роботов. Для задач этого класса необходимо разработать взаимоувязанные по экономическим критериям экономико-математические, модели, позволяющие производить системный экономический анализ рассматриваемых вариантов, завершающийся общим расчетом экономической эффективности выбранного варианта комплексной автоматизации в соответствии с основными положениями методики определении экономической эффективности использования новой техники в народном хозяйстве. При разработке таких моделей следует учитывать, что экономическое обоснование должно носить характер не только разового расчета, как это имеет место в настоящее время, а должно также обеспечивать возможность выполнения постоянного оперативного экономического анализа для оценки экономических последствий изменения любого технологического и технического параметра или их совокупности в ходе эксплуатации автоматизированного (роботизированного) комплекса.

Очевидно, что поиск экономически эффективного варианта  комплексной автоматизации находит свое окончательное решение в виде определенного варианта организации производства. Поэтому вся проблема должна предусматривать решение целого ряда экономических и организационных вопросов автоматизации роботизированного производства.

Разработка указанной проблемы является достаточно сложным делом, необходимым для обоснованного определения путей развития отечественной робототехники в целом и при решении частных задач автоматизации производства.