Уровни автоматизации и их отличительные признаки

1. Уровни автоматизации  и их отличительные признаки

Автоматизация производственных процессов может осуществляться на разных уровнях.

Автоматизация имеет так  называемый нулевой уровень - если в  производстве участие человека исключается  только при выполнении рабочих ходов (вращение шпинделя, движение подачи инструментов и др.). Такую автоматизацию назвали  механизацией. Можно сказать, что  механизация -- это автоматизация  рабочих ходов. Отсюда следует, что  автоматизация предусматривает  механизацию.

Автоматизация первого уровня ограничивается созданием устройств, цель применения которых -- исключить  участие человека при выполнении холостых ходов на отдельно взятом оборудовании. Такая автоматизация  называется автоматизацией рабочего цикла  в серийном и поточном производстве.

Холостые хоты в норме  штучного времени, определяющем трудоемкость операции, учитываются в виде вспомогательного времени t_в и времени технического обслуживания t_т.об:

где t_о - основное время, которое учитывает время рабочих ходов, t_о=t_p.x; t_в вспомогательное время, включает отвод и подвод инструмента, загрузку оборудования и контроль; t_т.об время технического обслуживания, затрачиваемое на смену инструмента, наладку оборудования, устранение отходов и управление; t_орг время обслуживания оборудования; t_отд - время отдыха рабочего.

На первом уровне автоматизации  рабочие машины еще не связаны  между собой автоматической связью. Поэтому транспортировка и контроль объекта производства выполняются  с участием человека. На этом уровне создаются и применяются станки-автоматы и полуавтоматы. На автоматах рабочий  цикл выполняется и повторяется  без участия человека. На полуавтоматах  для выполнения и повторения рабочего цикла требуется участие человека.

Например, современный токарный многошпиндельный автомат выполняет  обтачивание, сверление, зенкерование. развертывание и нарезание резьбы на заготовке из прутка. Такой автомат может заменить до 10 универсальных станков за счет автоматизации и совмещения холостых и рабочих ходов, высокой концентрации операций.

Автоматизация второго уровня -- это автоматизация технологических  процессов. На этом уровне решаются задачи автоматизации транспортировки, контроля объекта производства, удаления отходов  и управления системами машин. В  качестве технологического оборудования создаются и применяются автоматические линии, гибкие производственные системы (ГПС).

Автоматической линией называют автоматически действующую систему  машин, установленных в технологической  последовательности и объединенных средствами транспортировки, загрузки, контроля, управления и устранения отходов. Например, линия по обработке  ведущей конической шестерни редуктора  автомобиля высвобождает до 20 рабочих  и окупается через три года при соответствующей программе  выпуска.

Автоматическая линия  состоит из технологического оборудования, которое компонуется под определенный вид транспорта и связывается  с ним устройствами загрузки (манипуляторами, лотками, подъемниками). Линия включает кроме рабочих позиций и холостые позиции, которые необходимы для  осмотра и обслуживания линии.

Если линия включает позиции  с участием человека, то ока называется автоматизированной.

Третий уровень автоматизации -- комплексная автоматизация, которая  охватывает все этапы и звенья производственного процесса, начиная  от заготовительных процессов и  заканчивая испытаниями и отправкой  готовых изделий.

Комплексная автоматизация  требует освоения всех предшествующих уровней автоматизации. Она связана  с высокой технической оснащенностью  производства и большими капитальными затратами. Такая автоматизация  эффективна при достаточно больших  программах выпуска изделий стабильной конструкции и узкой номенклатуры (производство подшипников, отдельных агрегатов машин, элементов электрооборудования и др.).

Вместе с тем именно комплексная автоматизация позволяет  обеспечить развитие производства в  целом, так как имеет наибольшую эффективность капитальных затрат. Чтобы показать возможности такой  автоматизации, рассмотрим в качестве примера 1зт: магический завод по выпуску  автомобильных рам в США. При  выпуске до 10 000 рам в сутки  завод имеет штат в 160 человек, который  в основном состоит из инженеров  и наладчиков. При работе без применения комплексной автоматизации для  выполнения той же производственной программы понадобилось бы не менее 12 000 человек.

На третьем уровне автоматизации  решаются задачи автоматизации складирования  и межцеховой транспортировки изделий  с автоматическим адресованием, переработки отходов и управления производством на базе широкого применения ЭВМ. На этом уровне участие человека сводится к обслуживанию оборудования и поддержанию его в рабочем состоянии.

2. Развитие автоматизации  в направлении технологической  гибкости и широкого применения  ЭВМ

Гибкие производственные системы представляют собой совокупность технологического оборудования и систем обеспечения его работы в автоматическом режиме при изготовлении изделий  изменяющиеся номенклатурой. Развитие ГПС происходит в направлении  к безлюдной технологии, обеспечивающей работу оборудования в течение заданного  времени без участия опратора.

Для каждого изделия при  заданных требованиях к количеству и качеству продукции могут быть разработаны различные варианты ГПС, отличающиеся методами и маршрутами обработки, контроля и сборки, степенью дифференциации и концентрации операций технологического процесса, типами транспортно - загрузочных систем, числом обслуживающих транспортных средств (ОТС), характером межагрегатных и межучастковых связей, конструктивными решениями основных и вспомогательных механизмов и устройств, принципами построения системы управления.

Технический уровень и  эффективность ГПС определяется такими показателями, как качество изделий, производительность ГПС и  её надежность, структура потоков  компонентов, поступающих на ее вход. Именно с учетом этих критериев должны решаться такие задачи, как выбор  типа и количества технологического оборудования, межоперационных накопителей, их вместимости и мест их расположения, числа обслуживающих операторов, структуры и параметров транспортно-складской  системы и т.п.

Гибкие производственные системы могут быть построены  из взаимозаменяемых, из взаимодополняющих  ячеек или же смешанным образом.

На рисунке показана схема  гибкой системы из двух однотипных взаимозаменяемых обрабатывающих центров (ОЦ). Обрабатывающие центры обслуживаются  двумя транспортными тележками (робокарами), поддерживающими движение материальных потоков (деталей, заготовок, инструментов). Обычным является управление в автоматизированном режиме. Если допускаются ручные операции, то оператору должна быть предоставлена определенная свобода действий. Управление совместной работой ОЦ и транспортной системой осуществляется от центральной ЭВМ.

В общем случае управлением  робокарами осуществляется от центральной ЭВМ через промежуточное устройство или же от локальной системы управления (ЛСУ). Передача команд на робокары может осуществляться только на остановках, которые делят трассы движения на зоны. ЭВМ разрешает пребывание в конкретной зоне только одного робокара. Максимальная скорость движения может достигать 1 м/с.

Верхняя часть робокара для выполнения операций перегрузки, разгрузки и загрузки может подниматься и опускаться с помощью гидропривода. При отказе или отключении управления от ЭВМ робокар может управляться Л СУ.

Существуют различные  варианты робокаров, используемых в качестве транспортных средств в ГПС. Наиболее распространен вариант, когда робокар перемещается вдоль трека (маршрута, трассы) или иной конструкции, уложенной в полу или на его поверхности. Один из вариантов трассирования заключается в том, что на поверхность пола наносят трек в виде полосы (флюоресцентной, светоотражающей, белой с черной окантовкой), а маршрутослежение осуществляется оптоэлектронными методами. Недостатком является необходимость следить за чистотой полосы. Поэтому более распространенным является трассирование робокаров индуктивным проводником, уложенным в канавке на небольшой глубине (порядка 20 мм). Известны и другие интересные решения -- с применением, например, телевизионного навигационного оборудования для свободного перемещения в пространстве под управлением ЭВМ.

Источником снабжения  робокаров материальными потоками является автоматизированный склад со штабелерами, осуществляющими адресуемый доступ к любой ячейке склада. Склад сам по себе является достаточно сложным объектом управления.

В качестве его системы  управления используют программируемые  контроллеры, ЭВМ или же специализированного  устройства.

Наиболее распространенные робокары с индуктивным маршрутослежением имеют следующие характеристики: грузоподъемность -- 500 кг; скорость перемещения -- 70 м/мин; ускорения при разгоне и торможении соответственно -- 0,5 и 0,7 м/с²; ускорение при аварийном торможении 2,5 м\с²; величина подъема палеты -- 130 мм; точность остановки робокара -- 30 мм; время цикла перегрузки -- 3 с; радиус поворота на максимальной скорости -- 0,9 м; время работы без подзарядки аккумуляторов -- 6 ч; напряжение аккумуляторной батареи -- 24В; мощность каждого из двух приводных двигателей -- 600 Вт; собственная масса робокара -- 425 кг.

Важным преимуществом  робокаров как транспортных средств является отсутствие сколько-нибудь серьезных ограничений на расстановку оборудования, которая может быть осуществлена из соображений наибольшей эффективности по любым критериям. Маршрут робокаров нередко оказывается достаточно сложным, с параллельными ветвями и петлями.

Иногда в ГПС применяются  все же не робокары, а транспортные средства со свободной адресацией кареток, несущих спутники. Пример компоновки гибкой системы с подобным видом транспорта. Управление этой транспортной системой осуществляется от программируемого контроллера или от ЭВМ.

Конструктивная модификация  ГПС с линейным транспортом, кареткой свободной адресации и неподвижным  общим накопителем палет. К транспортной системе подключают не только различное технологическое, но и вспомогательное оборудование, например моечную станцию.

Используется также конструктивная модификация (ГПС) с портальной системой транспортирования палет и с применением автооператора.

Более сложную структуру  имеет ГПС в тех случаях, когда  наряду с транспортным потоком деталей  имеется еще и транспортный поток  инструмента. Существует немало способов практической реализации такой структуры. Например, транспортирование деталей  может осуществляться с помощью  каретки свободной адресации, а  доставка инструментальных наладок  выполняется рельсовой тележкой, на которой смонтирован робот, играющий роль приемопередающего механизма.

Портальное трехкоординатное устройство для перегрузки инструментов из внешнего инструментального магазина в инструментальные магазины станков. Поток деталей между рабочими ячейками и центральным накопителем палет организован с помощью каретки свободной адресации. Наличие двух потоков усложняет структуру ГПС, но независимость этих потоков позволяет осуществлять оптимальное управление для каждого из них по отдельности.

Известны структурные  решения с совмещением транспортных потоков деталей и инструментов. Например, робокар может доставлять к станкам и палеты с деталями, и инструментальные наладки. В таких структурах экономия транспортных средств может привести, однако, к задержкам в обслуживании станков и к усложнению управления.

Структурный анализ позволяет  установить совокупность повторяющихся  объектов в ГПС. К числу объектов, требующих как автономного управления, так и централизованной координации, прежде всего, относятся ОЦ, а также  накопители, транспортные средства, склады.

Конструктивные особенности  объектов должны быть ориентированы  на взаимную интеграцию без доработок  и переделок. В этом случае множественность  указанных объектов составит семейство  совместимых компонентов, способных  порождать многочисленные варианты ГПС в соответствие с конкретным техническим заданием на их разработку.

Структуры гибкого многономенклатурного производства характеризуются составом или номенклатурой основного  технологического оборудования и его  количеством, которое зависит от программы выпуска и производительности, определяющих производственные связи  между отдельными станками, ветвление  и соединение потоков обрабатываемых деталей. Гибкое многономенклатурное  производство является одной из разновидностей ГПС. Оно характеризуется движением  деталей по произвольному маршруту с возможностью его прерывания, не требует обязательного выравнивания значений времени пребывания детали на различных операциях технологического маршрута и числа операций технологического маршрута для деталей разных наименований- Маршрут движения деталей и последовательность подачи их на обработку никак не связаны с компоновкой оборудования и определяются планом работы комплекса  и расписанием загрузки единиц оборудования.

При формировании структуры  такого производства учитываются порядок  следований операций и их длительность. Разработку ГПС обычно осуществляют исходя из следующих условий:

задано ли множество реализуемых производственных функций;

заданы ли взаимосвязи между производственными функциями;

заданы или же подлежат выбору элементы технических средств комплекса управления;

учитывается или нет расположение элементов производственной системы;

указаны или нет Связи между элементами производственной системы;

имеется или отсутствует возможность выполнения одной и той же задачи несколькими различными элементами.

Классификация операций производственных структур производится двояким образом.

1. По принципу назначения  выделяются следующие операции:

подготовка полных исходных данных по управлению складом заготовок;

подготовка данных по маршруту транспортирования заготовок;

управление складом инструментов;

управление транспортировкой грузоединиц;

управление оборудованием технологического процесса;

управление складом готовых изделий.