Капустин Н.М. (2004) Автоматизация производственных процессов в машиностроении

В зависимости от размера производственной программы различают производство 3-х основных типов: единичное, серийное, массовое.

В массовом производстве с постоянным объемом выпуска как правило применяется высокопроизводительное специальное оборудование, объединенное автоматическими транспортно-загрузочными механизмами периодического действия, что в комплексе представляет собой жесткие АЛ.

Крупносерийное производство характеризуется ограниченным временем выпуска продукции, определенным сроком ее морального старения. Подготовка такого производства должна осуществляться в короткие сроки. В этих условиях к основному и вспомогательному оборудованию предъявляют требования высокой производительности и над-ти, переналадки и возможности перекомпоновки сравнительно легкими способами. Снижение стоимости подготовки производства зависит от соблюдения этих требований. Этим требованиям удовлетворяют автоматическое и полуавтоматическое оборудование и прежде всего агрегатные станки и станки с ЧПУ, которые с помощью ПР можно объединить в переналаживаемые несинхронные гибкие АЛ.

Серийное многономенклатурное производство в котором длительность выпуска деталей одного типа колеблется от нескольких дней до нескольких недель до недавнего времени имело парк оборудования из переналаживаемых и широкоуниверсальных станков с ручным управлением.

Задача автоматизации решалась применением копировальных станков и быстропереналаживаемых станков полуавтоматов с кулачковыми механизмами. В настоящее время имеются различные тенденции автоматизации этого производства:

Применение переналаживаемых агрегатных станков, объединенных в переналаживаемые АЛ с гибкой связью (несинхронные).

Создание переналаживаемых АЛ для групповой обработки деталей сменными наладками. (эк-ки выгодны только при достаточно больших сериях)

Создание АЛ с программным управлением станков с ЧПУ.

Создание автоматизированных производств из станков с ЧПУ с управлением от ЭВМ на среднем и на верхнем уровнях.

Последние два направления представляются наиболее перспективными, т.к. в них заложены предпосылки реализации качественно нового уровня производства. (ГПС).

Одним из путей эффективного решения комплексной автоматизации серийного производства является создание типовых автоматизированных технологических комплексов (АТК) различают назнач. для выполнения наиболее распространенных в МС операций, включая заготовительные и сборочные. Такие комплекса должны отвечать требованиям:

Обеспечивать надежное функционирование при высоком уровне автоматизации.

Охватывать основные ТП МС производства включая заготовительные и сборочные операции.

Иметь возможность стыковки между собой и с типовыми транспортными системами при различных компоновках автоматизированных участков и АЛ.

Обеспечить широкую приспосабливаемость к изменяющимся условиям производства. Технологические комплексы должны обеспечивать возможность выбора того уровня автоматизации, который экономически оправдан.

Перспективным для автоматизации среднесерийного и мелкосерийного производств является создание типовых роботизированных комплексов и ГПМ.

Мелкосерийное производство, требующее переналадки в пределах хар-а наиболее низким уровнем производительности труда и автоматизации ПП.

В мелкосерийном производстве номенклатура деталей закрепленных за станком может быть достаточно широкой, поэтому автоматизация в таком производстве должна развиваться за счет расширения методов групповой обработки и создания РТК и ГПМ, программируемых по 1-ой детали и обрабатываемые в дальнейшем.

Единичное производство – основа универсальные станки с ручным управлением. Могут быть отдельные средства автоматизации. Широкая универсальность и высокая гибкость, т.е. возможность быстрой переналадки являются главными преимуществами таких станков. Основной их недостаток – малая производительность и выполнение рабочим всего необходимого цикла управления, работой станка.

Создание материально-технической базы коммунизма

Переход к коммунизму немыслим без изобилия материальных и духовных благ: промышленных товаров, продовольствия, жилищ, предметов культурного обихода и мест отдыха трудящихся. Это предполагает гигантский рост производства во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и строительства. Фактически речь идет о новом огромном скачке в развитии производительных сил.

Громадные возможности и преимущества социалистической системы делают решение этой величественной задачи вполне реальным, причем в короткие исторические сроки.

Главное направление в борьбе за быстрый рост производства - завершение механизации всех трудовых процессов и вытеснение ручного труда из всех отраслей народного хозяйства. Опыт показывает, что, как бы ни был высок уровень механизации тех или иных звеньев производства, пока между ними вклиниваются ручные операции, общая экономическая

эффективность новой техники остается недостаточной и производительность труда растет медленно.

Подлинное решение может дать лишь комплексная механизация, т. е. применение машин не только в основных, но и во вспомогательных процессах производства. Широкое осуществление комплексной механизации и автоматизации - это основной путь технического прогресса, ведущий к созданию материально-технической базы коммунизма. Уже семилетним планом развития народного хозяйства СССР (1959 - 1965 гг.) ставится задача вытеснить тяжелый ручной труд на основе завершения комплексной механизации производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве, на транспорте, на погрузочно-разгрузочных работах, в коммунальном хозяйстве.

Принципиальное значение комплексной механизации состоит в том, что она требует создания в каждой отрасли производства системы взаимно дополняющих друг друга машин, а это решающим образом подготовляет автоматизацию - высшую форму современного машинного производства. Автоматизация означает осуществление производственного процесса без участия человека, а лишь под его контролем. Если механизация избавляет человека от бремени тяжелого физического труда, то автоматизация освобождает его и от излишнего нервного напряжения.

В ряде областей производства автоматизация становится прямой технической необходимостью. Скорости многих технологических процессов настолько возросли, а требования точности повысились, что человек с его органами чувств не в состоянии непосредственно управлять такими процессами. Их могут контролировать только автоматические устройства.

Подлинный переворот в области автоматизации несут с собой электронные машины. Они заменяют труд человека в такой области, как контроль и управление автоматической системой машин. Современное автоматизированное производство - это система усовершенствованных машин и станков, управляемых электронными вычислительными машинами. При помощи электронного «мозга» можно управлять производственным процессом по весьма сложной программе. Передача машинам счетных, аналитических и регулирующих функций освобождает человека от многих однообразных и утомительных умственных усилий. Пока в Советском Союзе и других социалистических странах имеется лишь немного автоматических линий, автоматизированных цехов и отдельные заводы-автоматы. Но уже развиваются отрасли, где весь технологический процесс основан на автоматике (атомная промышленность, некоторые отрасли химического производства, гидроэлектростанции).

В настоящее время в технической политике социалистиче-

ских государств взят решительный курс на широкое внедрение автоматизации в разные отрасли народного хозяйства. Достаточно сказать, что только в советском машиностроении за ближайшие семь лет предполагается ввести в эксплуатацию 1300 автоматических линий. Предусматривается автоматизация основных производственных процессов в решающих отраслях индустрии, особенно в цветной металлургии, в химической, нефтяной, легкой, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности.

Тенденции в развитии автоматического производства определились уже достаточно ясно: от автоматических станков, линий и цехов дело идет к заводам-автоматам, а затем к полной автоматизации целых отраслей промышленности. В будущем возникнет новый тип народного хозяйства, где автоматизированное производство будет преобладающим. Такой, и только такой, может быть производственная техника коммунизма, цель которого завершить освобождение человека от тяжелого, монотонного труда и сберечь его умственную энергию для творческих целей.

Социалистическая автоматизация ничем не угрожает трудящимся. Наоборот, они приветствуют ее, так как она сильно облегчает их труд и позволяет сократить рабочий день без снижения заработной платы. Капиталистическая автоматизация, как известно, вызывает серьезную тревогу в рабочем классе, ибо она влечет за собой рост безработицы и падение заработной платы значительных масс трудящихся.

Конечно, социалистическая автоматизация также вызывает сокращение количества рабочих на том или ином предприятии или даже в целой отрасли промышленности. Но это не создает проблемы занятости, так как высвобождаемые в результате автоматизации рабочие тут же находят место на новых предприятиях и в новых отраслях производства. Заботу о трудовом устройстве, переобучении и повышении квалификации работников берет на себя социалистическое государство.

Современное состояние и ближайшие перспективы автоматизации в машиностроении связаны, прежде всего, с переходом от создания отдельных машин и агрегатов к разработке систем автоматических машин, охватывающих различные стадии производственного процесса – от заготовительных до сборочных, с оптимизацией технических решений.

Центр тяжести разработок переносится с массового на серийное производство с широким развитием автоматизации и механизации вспомогательных процессов, причем автоматизации не только технологических операций, но и функций управления.

Комплексная автоматизация базируется на непрерывном совершенствовании технических средств (от простейших механизмов до сложных электронных систем; СПУ, электронных вычислительных и управляющих машин и др.); на широком использовании общности методов и средств автоматизации на различных стадиях производственного процесса, на применении методов унификации.

Развитие автоматизации на современном этапе характерно смещение центра тяжести разработок с массового на серийное производство, составляющую основную часть машиностроительной отрасли (около 80% всей машиностроительной продукции выпускается на заводах серийного и единичного производства).

Другая характерная особенность современной автоматизации – расширение арсенала технических средств и, как следствие, многовариантность решения задач автоматизации производственных процессов.

Стратегия комплексной автоматизации машиностроительного производства как основа технической политики определяется рядом аспектов, в том числе:

1) правильным пониманием содержания и основной направленности работ по автоматизации;

2) объективной оценкой во времени перспективности и целесообразности области применения новых методов и средств автоматизации, их состоянием и взаимосвязью с известными, традиционными.

Рассмотрим эти аспекты более подробно. Автоматизация производства часто трактуется 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 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, а система управления есть лишь форма реализации этих возможностей. Поэтому автоматизация производства в машиностроении представляет собой комплексную конструкторско-технологическую задачу создания новой техники, таких высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводственных средств производства, которые недоступны для непосредственного выполнения человеком.

Современный токарный автомат – это комплекс технологических и конструктивно-компоновочных решений, характеризуемый многопозиционностью, одновременным функционированием десятков, а в автоматических линиях – сотен механизмов и инструментов. Создание таких систем требует решения многих задач, в том числе автоматизации транспортирования и загрузки деталей, изменения их ориентации, накопления заделов, поворота и фиксации деталей, удаления отходов и т.д. И только при этих условиях может быть эффективным применение автоматического управления.

Автоматически действующие средства производства только тогда перспективны, когда они выполняют производственные функции быстрее и лучше человека.

Сказанное не снижает значения «малой» автоматизации, т.е. оснащение неавтоматизированного оборудования механизмами загрузки и зажима деталей, устройствами для управления циклом и т.д., особенно когда такие средства являются типовыми. Однако к этой частности не сводится процесс автоматизации.

Чрезвычайную актуальность в автоматизации приобретает проблема правильной, объективной оценки и разумного внедрения новейших методов и средств автоматизации. Любое техническое новшество, сколь бы перспективным оно ни было, проходит ряд стадий: идея – опытная конструкция (способная лишь функционировать) – надежно работающая конструкция – экономически эффективная конструкция. Каждая стадия характеризуется совершенствованием параметров, которые 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 первичной идеи, так и реализация недостаточно созревших решений.

Один из принципиальных вопросов 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 составляет основу высокой производительности и эффективности. В подавляющем же большинстве современные станки с ЧПУ – одношпиндельные. Поэтому в условиях стабильной работы, без переналадок, производительность многошпиндельных агрегатных станков-полуавтоматов в десятки раз выше, чем многооперационных полуавтоматов, а стоимость ниже. В опытном производстве, где номенклатура изделий не повторяется, необходим широчайший диапазон переналадок технологического оборудования, который можно обеспечить лишь при использовании ЭВМ. В стабильном же производстве, с постоянной номенклатурой выпускаемой продукции, серийная обработка производится лишь потому, что масштабы выпуска не позволяют загрузить каждую единицу оборудования одними и теми же изделиями. Здесь участки из универсальных станков-полуавтоматов с ЧПУ или технологических комплексов с управлением от ЭВМ может заменить один переналаживаемый многошпиндельный агрегатный станок-полуавтомат, на котором несколько деталей обрабатываются одновременно десятками инструментов, производительность его несоразмерно выше, чем одноинструментальных станков, а переналадка значительно короче.

Поэтому выпуск одношпиндельных станков с ЧПУ с технологическими и компоновочными схемами, унаследованными от неавтоматизированного производства, следует считать правомерным лишь на ранних этапах их развития. Неизбежен массовый переход к использованию многошпиндельных и многопозиционных станков с ЧПУ, начиная с простейших, выполняющих параллельную обработку нескольких деталей по одной программе. Системы с распределительными валами, кулачками и копирами, по-видимому еще долго будут преобладающими при автоматизации управления в массовом производстве, несмотря на то, что в их конструкции мало электроники и нет адаптации. Системы с ЧП, прямого управления от ЭВМ и др. мобильны, и поэтому эффективны при автоматизации серийного, а будущем и единичного производства. Их значимость для массового производства не в замене сложившихся технических решений, а в их дополнении, в реализации невыполнимых ранее функций управления. Так, применение АСУ ТП с функциями технической и статистической диагностики работы автоматических линий должно стать основой высокопроизводительной эксплуатации линий, сокращения их простоев по техническим и организационным причинам.

Качество микросхем

(входной контроль 10–12 % микросхем – 1990 год, Томское объединение «Контур»)

Контрольные вопросы

1. В каких случаях автоматизация неэффективна в социально-экономическом плане?

3. Предложите основные разделы бизнес-плана для планируемой покупки и использования в цехе металлообработки токарного станка с системой ЧПУ.

4. Какие факторы являются определяющими для повышения качества и надежности выпускаемой продукции?

2. Автоматизация в машиностроении,
системы ЧПУ

Краткая классификация производственных систем следующая:

¨ производственная система – это сложная многоуровневая (иерархическая) система, которая преобразует исходные полуфабрикаты, сырье, материалы в конечный продукт, соответствующий общественному заказу;

¨ в более широком смысле: производство – это соединение ресурсов (сырья, капитала, труда и предпринимательской способности) для производства товаров и услуг;

¨ основа любого производства – технологический процесс (ТП) – определенное взаимодействие орудий труда, обслуживающей и транспортной систем;

¨ непрерывные ТП: химическая, нефтегазодобывающая и перерабатывающая, энергетика;

¨ дискретные ТП: машиностроение, раскрой материалов;

¨ непрерывно-дискретные ТП: металлургия, цементная, машиностроение и др.

За базу ТП и соответствующих систем автоматизации примем машиностроение. Именно машиностроение (процессы обработки металлов) наряду с ткацкой промышленностью первыми потребовали автоматизации. Машиностроение широко развито в Прикамье. Учтем, что системы автоматизации в различных отраслях
выполняются на единой технологической базе, по одинаковым
принципам.

Анализ технологических процессов в машиностроении показывает, что в общем цикле организации производства детали станочное время занимает в среднем не более 5 % (остальное – подготовка производства, транспортирование, пролеживание и т.д.). В ста-
ночном времени время обработки составляет только около 30 %
(остальное время позиционирование, загрузка, измерение, холостое время и др.).

Усилия, направленные на интенсификацию механической обработки, оказывают влияние лишь на небольшую часть в общем балансе цикла получения готового изделия. Тот же анализ показывает, что сокращение непроизводственных потерь времени возможно лишь на основе интеграции производства, которая позволяет, в принципе, довести станочное время в общем цикле изготовления до 90 %, машинное время в рамках станочного также до 90 %. При этом имеется в виду также интеграция производства, которая допускала бы непрерывную трехсменную эксплуатацию оборудования, в том числе и малолюдную ночную смену.

На рис. 2.1 показан баланс времени использования производственного оборудования, откуда следует, что наиболее мощным резервом повышения коэффициента использования оборудования является трехсменная работа.

Практика показала, что в принципе правильная идея – связать интеграцию с безлюдной технологией – достаточно трудноосуществима, поскольку требует решения целого комплекса сложных проблем. В числе этих проблем – резкое повышение надежности оборудования и систем управления на основе МП-х систем.

Объекты автоматизации в машиностроении:

¨ станки: токарные, фрезерные, сверлильно-расточные, шлифовальные, многоцелевые (обрабатывающий центр), зубообрабатывающие, электроэрозионные и др.;

¨ периферия станков: роботы, накопители палет, блоки инструментальных магазинов и др.;

¨ транспортные системы: робокары, конвейеры и др.

¨ накопительные системы: автоматизированные склады с кранами-штабелерами, станции комплектации и др.;

¨ вспомогательные системы: контрольно-измерительные машины, станции мойки-сушки и т.д.

Рис. 2.1. Баланс времени использования производственного
оборудования

Множество отдельных микропроцессорных систем автоматизации должны быть объединены в единую – локальную вычислительную сеть. C позиций производительности и гибкости системы автоматизации в машиностроении можно классифицировать по уровню гибкости и производительности (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Классификация системы автоматизации в машиностроении:
x – закрепленная за оборудованием номенклатура деталей (число партий);
y – число деталей в партии; 1 – универсальные станки с ручным
управлением; 2 – станки с ЧПУ; 3 – многооперационные станки;
4 – гибкие производственные модули (ГПМ); 5 – гибкие производственные участки (ГПУ); 6 – гибкие линии, цехи; 7 – автоматические линии

Таблица 2.1

Производство станков в основных странах-производителях

Необходимо иметь в виду, что количество станков в машиностроении в 1,5 раза больше числа станочников. Однако потребность в станках с ЧПУ на 1990 год была не удовлетворена (табл. 2.1).

ИС-ПРО для предприятий машиностроения

PDM - Product Data Management (система управления данными о продукции)
CAPP - Computer-Aided Process Planning (автоматизированная система технологической подготовки производства)
ДСЕ - деталь или сборочная единица
ССЗ - сменно-суточное задание
ССИ - структура и состав изделий
ПКМ - покупные материалы
ПКИ - покупные комплектующие изделия

Система ИС-ПРО обладает архитектурными и функциональными возможностями, необходимыми для решения задач управления основным и вспомогательным производством на предприятиях машиностроения.

Основой для управления производством на предприятиях отрасли является система конструкторских и технологических данных о продукции.

ИС-ПРО по структуре, сложности и гибкости своих информационных объектов достаточным образом соответствует структуре, сложности и гибкости объектов PDM и CAPP систем (контур PDM), с которыми необходимо обеспечивать взаимодействие по процессам и данным в рамках отраслевых решений.

Основные задачи

ERP функционал любой системы управления машиностроительным предприятием (в части управления себестоимостью, снабжением, сбытом и т.д.) может иметь практический смысл, только если обеспечены качество, полнота и своевременность донесения изменений из контура PDM в контур ERP.

ИС-ПРО предлагает набор возможностей, как архитектурно-функциональных, так и сервисных, для решения основных управленческих задач. Решение этих задач обеспечивает качественную реализацию любого дополнительного функционала.

Основные задачи должны быть логически выделены, как с точки зрения использования предприятием, так и с точки зрения процесса внедрения. Это следующие задачи:

Управление нормативно-справочной информацией в части структуры и состава изделий (включая нормы расхода материалов), номенклатуры покупных материалов и изделий (ПКМ и ПКИ);

• Управление нормативно-справочной информацией в части маршрутно-операционных технологий;
• Материальное планирование производства;
• Управление материально-техническим снабжением;
• Управление расходом ПКМ и ПКИ в производстве;
• Планирование производства деталей и сборочных единиц (межцеховой и внутрицеховой контуры);
• Планирование агрегатной и окончательной сборки;
• Диспетчирование и контроль хода производства деталей и сборочных единиц (ДСЕ);
• Управление комплектованием сборки и выпуска готовых изделий;
• Диспетчирование и контроль хода сборки;
• Учет, анализ и оптимизация трудовых затрат производственного персонала;
• Управление качеством и обеспечение материальной и операционной прослеживаемости.

Конечно же, этим перечнем не ограничиваются задачи автоматизации на машиностроительном предприятии. Но именно эти задачи практически на 100% определяют уровень рентабельности и конкурентоспособности предприятия. Эти задачи являются базовыми, потому что вся остальная автоматизация управления предприятием невозможна без их решения.

Типизированные решения этих задач на базе ИС-ПРО существуют в широком диапазоне требуемой сложности и полноты.

Методика ИС-ПРО для машиностроения

Практическая ценность данных для управления машиностроительным предприятием опирается на полноту, точность и своевременность информации о производственном цикле изделий. Поэтому качество и мощность системы управления напрямую зависит от глубины отражения оперативных производственных процессов и детальности информации о составе и технологии изделий.

Методика ИС-ПРО предполагает глубокую проработку и отражение оперативных процессов (процедур) в производстве и технических данных об изделиях.

Таким образом, в основе методики - приоритет оперативного контура управления и глубины технических данных об изделии.

Оперативное управление

Под оперативным управлением производством будем понимать диспетчирование и контроль хода производства изделий с точностью до технологических операций, в разрезе партий запуска ДСЕ и производственно-диспетчерских заказов. Это задача управления операционным потоком в производстве.

Также, в рамках оперативного управления производством, необходимо управлять процессом движения, расхода и преобразования материалов, заготовок и ДСЕ, осуществлять диспетчерский контроль формирования сборочных комплектов в разрезе номеров изделий. Это задача управления материальным потоком в производстве.

Таким образом, решение задачи оперативного управления производством сводится к решению двух задач:

• Диспетчирование и Контроль Хода Производства (ДКХП) или управление операционным потоком.
• Прослеживаемость Материальных Компонентов в Производстве (ПМКП) или управление материальным потоком.

Организационно-производственная структура

В рамках системы данных ИС-ПРО, важнейшим элементом является организационно-производственная структура, в рамках которой исполняются производственные циклы изделий.

Например:

• Тип производства: сложное, многономенклатурное, точное машиностроение.
• Виды производственных процессов: металлозаготовительное производство, механообрабатывающие производства, смежные производства (гальваника, термическая обработка и др.), сборка.
• Организационно-производственная структура и основные этапы производственного процесса отражают специфику типа производства, видов производственных процессов и маршрут изготовления готового изделия.

Элементы методики

Методика ИС-ПРО основана:

• во-первых, на иерархии управляющих документов (механизмов), запускаемых в работу с последующим контролем и регистрацией исполнения.
• во-вторых, на ключевых процессах планово-производственной деятельности.
• в-третьих, на объектах контроля хода производства, таких как производственно-диспетчерские заказы, партии запуска.

МЕХАНИЗМЫ

Данная иерархия отражает ключевые механизмы планово-производственного процесса: планирование, с учетом наиболее общих характеристик предприятия; трансформация плана в формы, пригодные для диспетчерского контроля; генерация оперативных производственных заданий на уровнях партий ДСЕ и операций (на основе планово-диспетчерских форм).

КЛЮЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫ

ОБЪЕКТЫ КОНТРОЛЯ

• Производственные партии ДСЕ
• Производственно-диспетчерские заказы
• Производственные подразделения