Автоматизация производства и применение новейших технологий

ВВЕДЕНИЕ

На протяжении всего своего существования на Земле человек  пытался упростить себе жизнь: изобрел велосипед, чтобы не ходить; придумал паровую машину, чтобы меньше прилагать усилий; создал робота, чтобы он выполнял работу за человека. Тот же самый компьютер. Насколько он нам помогает и делает нашу жизнь менее изнурительной. На нынешнем этапе компьютеризации всех сфер жизни человечества нельзя не затронуть вопрос об автоматизации производства и применении новейших технологий. Они позволяют повысить уровень эффективности процесса производства, что в свою очередь сказывается положительно на деятельности фирмы. Выбранная мною тема является актуальной на сегодняшний день, так как высокий уровень автоматизации и большая степень применения передовых технологий - это не только залог успеха и конкурентоспособности фирмы, но и средство выживания в условиях жесткой конкуренции.

В современных условиях автоматизация  производства носит комплексный характер и предполагает автоматизацию рабочих машин, технологических линий и блоков, широкое внедрение станков с числовым управлением, линий ЭВМ, программируемых роботов, а также самых дешевых устройств автоматизации – микропроцессероов (МП).

Наибольшее значение имеет  развитие гибких автоматизированных производственных систем (ГАПС), обладающих огромными возможностями повышения эффективности как крупного, так и мелкосерийного многономенклатурного производства. Внедрение таких систем позволяет увеличивать выпуск продукции при сокращении численности занятых, снижать брак и повышать гибкость производственных процессов.

Объектом исследования являются компании Япония, - в частности компания «Тойота» - которая за последние десятилетия заняла лидирующее положение на мировом рынке благодаря применению новейших технологий. «Тойота» располагает сегодня двумя мощными исследовательскими техническими центрами в Японии, тремя в США и одним в Европе, а также целым рядом дизайнерских центров и полигонов. «Тойота», являясь одной из ведущих мировых автомобилестроительных компаний, интересна тем, что в начале 70-х годов ввела систему организации труда «Канбан» (ам. just-in-time), которая заключается в эффективном управлении персоналом и в рациональном управлении производством. Ее суть – отказ от производства продукции крупными партиями на всех фазах производственного процесса и создание непрерывно-поточного производства. Рассмотрение производственного процесса данной фирмы поможет ознакомиться с большинством передовых технологий, используемых в настоящее время.

Растущая конкурентная активность предприятий, которые стремятся использовать передовые технологии, побуждает все к новым совершенствованиям, а автоматизация производства и новейшие технологии являются необходимой частью существования фирмы, не говоря уже об ее успешном развитие на мировом рынке.

ГЛАВА I.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИИ НОВЕЙШИХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Автоматизированные  производства. Гибкие производственные системы.

Автоматизация производств как средство эффективного роста производительности труда и улучшения качества продукции зависит от уровня развития науки, техники и от используемых средств производства.

Комплексная автоматизация  крупносерийного и массового  производства с жесткой автоматизацией производственных процессов и использование узкоспециализированного автоматического оборудования и автоматических линий оправдали себя тем, что предусматривают выпуск очень большого объема одинаковой или мало отличающейся по техническим параметрам продукции. Однако, специфика и тенденция развития современных производств в различных отраслях таковы, что достижения современной науки и новейших технологий требуют частой смены и выпуска различной продукции малыми сериями  при одновременном обеспечении высокой производительности и качества продукции в автоматическом режиме.

Эти требования привели к необходимости создания и внедрения качественно новых  автоматизированных производств, обеспечивающих возможность их гибкой переналадки на производство различных видов продукции в пределах их технических возможностей и при одновременной  полной автоматизации процессов.

В 70-80гг. прошлого столетия был осуществлен поиск новых путей увеличения уровня автоматизации и производительности станков с числовым программным управлением (ЧПУ) путем их объединения в автоматизированные производственные комплексы. В основу этих комплексов закладывалась возможность гибкой переналадки технологий обработки с обеспечением возможности групповой обработки различных видов деталей. Однако при этом выпуск различных деталей какой-либо номенклатуры был связан с необходимостью участия человека в этом процессе. Поэтому встал вопрос о реализации «безлюдных технологий». Понятие «безлюдная» не означает, что человек не участвует в производстве, а предусматривает возможность длительного функционирования технического оборудования (ТО) в производственном комплексе в автоматическом режиме. Для реализации «безлюдной» гибкой технологии необходимо было автоматизировать все процессы переналадки оборудования, в том числе «загрузка-разгрузка» заготовок, удаление отходов, управление всем производственным процессом.

«Безлюдные» гибкие автоматизированные производства имеют различные уровни автоматизации в виде гибких производственных модулей (ГПМ), гибких автоматических линий (ГАЛ), гибких автоматизированных цехов (ГАЦ), гибких автоматизированных систем производств (ГАП/ГАПС). Следует иметь в виду, что каждый из выше указанных уровней или классов гибких производств объединяются общим понятием гибкая производственная система (ГПС).

Под гибкой производственной системой понимается совокупность (или отдельная единица) технологического оборудования и системы обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

Процесс развития автоматизации на промышленных предприятиях происходит в несколько этапов. На первом этапе проводилась автоматизация отдельных операций или их групп с полным или частичным освобождением рабочего от выполнения трудоемких, вредных, монотонных операций. В этих условиях создавались полуавтоматы и автоматы.

Второй этап развития автоматизации характеризуется  появлением автоматической линии, т. е. автоматической системы машин, расположенных  по ходу технологического процесса и осуществляющих без непосредственного участия человека в определенной последовательности и с заданным ритмом технологические операции по изготовлению продукции. Человеком выполняются функции наладки и управления.

Комплексной автоматизации  мелкосерийного и серийного производства в условиях ГАП должно предшествовать выполнение следующих требований:

• резкое повышение уровня технологического проектирования (на основе САПР);
• создание программируемой технологии основных и вспомогательных процессов и процессов управления информацией;
• совершенствование инженерных разработок во взаимосвязи с решением широкого круга вопросов по стандартизации в целях достижения встраиваемости, сопряженности и надежности функционирования всех компонентов (модулей) ГАП;
• пересмотр состава, структуры, категории сложности и оценки труда с учетом того, что труд инженерно-технических работников в условиях ГАП становится неотъемлемой и определяющей частью основного производственного процесса;
• обеспечение сопряженности и тиражируемости программ управления, быстрой переналадки и перепрограммирования компонентов ГАП.

Из основных и вспомогательных гибких производственных модулей комплектуются гибкие производственные комплексы, перенастраиваемые линии, участки, пролеты, цеха и заводы. ГАП первого поколения были созданы на базе многооперационных станков типа «обрабатывающий центр». За основу построения этих ГАП был принят блочно-модульный принцип, характерный для средств вычислительной техники. Первичная единица комплексирования при создании ГАП — гибкий производственный модуль (ГПМ), представляет собой, например, совокупность токарных станков с ЧПУ, специализированных роботов — автооператоров и накопителей заготовок.

На уровне участка, поточной линии, пролета ГАП может состоять из ГПМ, построенных на базе основного технологического оборудования и автоматизированной системы управления технологическими процессами и оборудованием; из модулей подготовки производства, обеспечения материалами, заготовками, деталями, инструментами; из модулей обслуживания и обеспечения работы оборудования, удаления отходов производства.

На уровне цеха ГАП включает автоматизированные участки, пролеты  и линии основного производства, автоматизированную систему управления и обеспечения, автоматизированные участки технологической подготовки производства, автоматизированные участки комплектования, транспортирования, складирования, технического обеспечения и удаления отходов производства.

На уровне завода ГАП состоит  из автоматизированных цехов основного  и вспомогательного производства, системы автоматизированного проектирования и интегрированной автоматизированной системы планирования, управления и обеспечения производства; интегрированной системы автоматизации технологических процессов, включая все стадии производства; автоматизированной системы технического обслуживания и ремонта оборудования; транспортной и складской системы.

Выделяют следующие направления в реализации автоматизации на производстве:

1. Оснащение станков магазинами инструментов;

Оснащение станков  с ЧПУ магазинами инструментов, предусматривает использование в них устройств автоматической смены  и обеспечивает  обработку заготовок за одно или малое число установок, чем существенно сокращает время обработки. Рациональным считается магазин на 50-60 инструментов.

2. Оснащение станков сменными спутниками;

Оснащение станков  сменными спутниками потребовало введения в них устройств автоматической подачи заготовки со спутником на стол станка. При этом достигается совмещение вспомогательного времени съема обработанной детали со временем установки и обработки новой заготовки и тем самым повышается производительность обработки. Спутник представляет собой унифицированную конструкцию в виде плиты и обеспечивает точную установку, фиксацию и закрепление на столе станка этой плиты вместе с заготовкой.

3. Создание многошпиндельных станков с ЧПУ;

Многошпиндельные  станки обеспечивают одновременную  обработку нескольких одинаковых заготовок или одновременную обработку одной заготовки несколькими инструментами, что повышает производительность процесса.

4. Переход к управлению на базе МП-систем (ЧПУ 4ого поколения);

Переход к управлению микропроцессорными системами  с  ЧПУ существенно расширил технические и технологические возможности оборудования за счет снижения аппаратных средств управления, повышения их надежности, упрощения их обслуживания, диагностику неисправностей, редактирования программ на рабочем месте (в цеху) и возможность выхода на ЭВМ верхнего уровня.

5. Объединение станков с ЧПУ в группы, управляемые от одной гибко-перепрограммируемой ЭВМ;

Объединение станков  с ЧПУ в группы управляемые  от одной ЭВМ  дало возможность  оперативно устанавливать очередность работы станков, рационально распределять временной ресурс, оперативно редактировать программы, использовать внешнюю память и обеспечивать взаимодействие по задачам управления и возможность выхода на ЭВМ внешнего (верхнего) уровня.

6. Объединение станков с ЧПУ в автоматизированном производственном комплексе, с автоматизацией в них транспортных, складских и других процессов и управление от единой центральной ЭВМ.

Объединение станков  в автоматизированные комплексы  потребовало применения множества автоматизированных систем, что позволило решать задачи упорядочивания доставки заготовок, инструмента, оснастки в условиях изменяющихся задач и циклов производственного процесса Современные производственные системы, обеспечивающие гибкость при автоматизированном производстве, включают:

• системы автоматизированного проектирования;
• автоматизированные системы управления производством;
• промышленные роботы;
• автоматизированные складские системы;

•       интегрированную автоматизированную систему управления производством (включает в себя: автоматизированные транспортные системы (АТС), автоматизированные накопительные систем (АНС), автоматизированные системы контроля (АСК) и др.).

Система автоматизированного проектирования.

Система автоматизированного  проектирования - САПР используется проектировщиками при разработке новых изделий  и технико-экономической документации. Она позволяет значительно сократить  время на разработку и изготовление чертежей проекта, которые раньше выполнялись вручную, и создает возможность разработки различных вариантов проектов для последующего выбора оптимального варианта. Компьютерная система дает возможность хранить документацию в памяти компьютера и по мере необходимости получать ее для внесения в проект изменений; переносить чертежи на бумажный носитель; вести проверку ошибок.

Системы автоматизированного  проектирования (САПР) начали внедряться в конце 50-х гг. для технических  расчетов, в 60-х гг. - для проектно-конструкторских работ (ЭВМ использовалась в режиме пакетной обработки данных). Так, например, разработанные САПР технологических процессов (САПР ТП) позволяют проектировать на ЭВМ технологические процессы горячей штамповки и штампы, выдавая всю необходимую технологическую информацию. Человек участвует только в кодировании исходных данных.

Возможны два  принципиально различных способа  автоматизированного проектирования:

1. Синтез проектируемого объекта (конструкции, технологического процесса, цеха) применяется к заданным конкретным требованиям и технико-экономическим условиям при крупносерийном и массовом выпуске продукции (индивидуальное проектирование);
2. Поиск с использованием информационно-поисковых систем по заданным характеристикам типового или группового объекта из имеющейся в памяти ЭВМ номенклатуры объектов для предприятий с единичным, мелкосерийным и серийным характером производства (групповое или типовое проектирование).

Описание группового технологического процесса для деталей представляет собой список технологических операций (технологический маршрут) с закрепленными за каждой из них оборудованием и оснасткой. Технологический процесс для каждой конкретной детали, принадлежащей данной группе, определяется выбором из группового технологического процесса операций необходимых для изготовления этой детали. При выборе операций используют формализованные правила (условия), устанавливающие соответствие технологических, конструктивных и производственных параметров детали, с одной стороны, и операций технологического процесса, размеров и типов оснастки - с другой. Такие САПР ТП предназначены в основном для предприятий с единичным и мелкосерийным производством.

На предприятиях с массовым и крупносерийным производством  повышаются требования к качеству проектного решения. Даже незначительное уменьшение, например, расхода металла или трудозатрат в одном технологическом процессе дает большой экономический эффект при изготовлении сотен тысяч и миллионов деталей. При этом необходимо индивидуальное проектирование (синтез) технологического процесса и оснастки применительно к изготовляемой детали с учетом особенностей ее формы и размеров и возможностей используемого технологического оборудования, а также оптимизация проектного решения. Процесс проектирования разбивают на элементарные, но универсальные операции (элементы расчетов, принятия решений, геометрических преобразований и др.), каждая из которых уже не зависит от особенностей деталей и проектируемых процессов. Однако в совокупности комплекс элементарных операций обеспечивает принятие решения для деталей любых форм и технологических требований для выбранного класса задач.

В 70-х гг. появление мини-ЭВМ  и терминалов дало возможность получать с помощью САПР ТП чертежи и  графики в интерактивном режиме при небольших трудовых и финансовых затратах.

САПР позволяет ускорить процессы проектирования и повысить качество проектов, быстрее использовать новейшие достижения науки и техники, лучше удовлетворять потребности  в новых изделиях.

Автоматизированная  система управления производством.

Автоматизированная система управления производством (АСУП) это ряд технологий, позволяющих управлять и контролировать работу производственного оборудования при помощи ЭВМ. Эта технология идет дальше обычной автоматизации в основном за счет обеспечения гибкости производственного процесса. Компьютер может передать на управляемую им единицу оборудования новый набор команд и изменить выполняемую оборудованием задачу.

Первые автоматизированные системы планирования – системы  планирования материальных ресурсов(Manufacturing Resources Planning), MRP-системы – появились в США в 60-е годы, и до настоящего времени не потеряли своей актуальности. В это время лидерство американской промышленности было безусловным. Однако появление сильной конкуренции со стороны Европы и Японии требовало соответствующих решений.

Проблема наличия необходимых  материалов и комплектующих в  нужное время, в нужном месте и  в нужном количестве особенно актуальна  для массовых сборочных производств, где простои конвейера недопустимы.

Методология MRP и соответствующие  программные решения разрабатывались специально под производства, использующие систему КАНБАН или just-in-time. Данная методология служит для реализации следующих целей:

• минимизация запасов на складах сырья и готовой продукции;
• оптимизация поступления материалов и комплектующих в производство и исключение простоев оборудования из-за не прибывших вовремя материалов и комплектующих.

Следует понимать, что MRP – это методология, на практике представляющая собой компьютерную программу.

В настоящее время для  планирования ресурсов предприятий  с серийным производством используется подход, получивший название MRP II– планирование производственных ресурсов.

Ядром системы является методика планирования потребностей в материалах MRP (Material Requirements Planning).

АСУП, претендующая на звание MRP II-системы, должна соответствовать  требованиям документа «MRP II Standard System», который разработан Американским обществом по контролю за производством и запасами (American Production and Inventory Control Society - APICS) и содержит описание 16 групп функций, которые должна поддерживать АСУП. Уровень поддержки делится на обязательный и необязательный (опциональный).

Основная задача АСУП это управления всеми составными частями производства, то есть управление основным используемым при обработке оборудованием ГПС (основное оборудование ГПС это станки оснащенные системой ЧПУ), а также дополнительным (к вспомогательному, но не менее важному оборудованию ГПС можно отнести различное технологическое оснащение, необходимое для выполнения определенной операции технологического процесса обработки детали, промышленных роботов, роботов транспортеров и т.д.). «Технологическим процессом» называется часть «производственного процесса» (производственный процесс начинается с обработки заготовки и заканчивается сборкой деталей в узлы) содержащая действия (совокупность операций и переходов, выполняющихся в определенной последовательно) по изменению состояния предмета производства (заготовки), технологический процесс связан непосредственно с изменением размеров, формы и свойств материала обрабатываемой заготовки.

По степени  автоматизации АСУП подразделяют на:

• автоматические (полностью автоматика, без участия человека-оператора);
• автоматизированные (автоматика с участием человека-оператора, дополняющего работу АСУП).

АСУП можно разделить на несколько уровней, их число зависит от исполнения ГПС:

• на внешнем уровне находится устройство управления станком, роботом, транспортом;
• следующий уровень представляет собой концентратор каналов связи от устройств нижнего уровня, который может быть выполнен в виде микро ЭВМ;
• третий уровень, это система управления ГПС;
• четвертый – система управления заводом.

Основные функции  АСУП:

• управление транспортными перемещениями;
• наблюдение за всем производственным процессом;
• вывод данных на печать;
• вывод информации на монитор;
• сигнализирование при необходимости в случае аварийной ситуации;
• технологическая подготовка производства;
• управление технологическим процессом производства;
• управление инструментальным обеспечением;
• оперативное планирование.

Состоит АСУП из средств вычислительной техники — управляющих ЭВМ, связанных в единый комплекс с помощью интерфейсных устройств и линий передачи данных, и программного обеспечения, предназначенного для управления отдельными единицами автоматизированного оборудования всех подсистем и системы в целом. Она базируется на использовании оборудования с ЧПУ, ГПМ. Программное управление автоматизированных систем технического оборудования основывается на применении программы, определяющей порядок действий с целью получения требуемого результата. Вычислительные машины, устройства сопряжения с объектами и передачи данных являются аппаратурными средствами системы управления ГПС, функционирующими под управлением программных средств.

В состав АСУ  ГПС входят следующие подсистемы:

подсистема  УТСС (подсистема АСУП, необходимая для управления транспортно-складской системой)

подсистема  УТПП (подсистема АСУП, осуществляющая управление технологическим процессом производства)

подсистема  ТПП (подсистема АСУП, осуществляющая технологическую подготовку производства)

подсистема  УИО (подсистема АСУП, для управления инструментальным обеспечением)

подсистема  ОКП (подсистема АСУП, осуществляющая оперативно-календарное планирование)

Промышленные роботы.

Промышленные  роботы представляют собой программируемые  устройства для выполнения операций с материалами и рабочими инструментами, которые иначе пришлось бы выполнять  рабочим. ПР – это автоматическая машина, стационарная или передвижная, содержащая исполнительное устройство в виде манипуляционного механизма с несколькими степенями подвижностями и репрограммируемое устройство программного управления, служащее для реализации двигательных и управляющих функции в производственном процессе.

В ходе создания и развития автоматизированных производств  ПР явились важным и эффективным средством автоматизации особенно при большой номенклатуре и частой смене объектов производств. Они используются для выполнения операций, где требуется высокая степень стабильности, а также работ, опасных или не удобных для человека. При этом ПР оказались способными выполнять не только вспомогательные, но часто и основные операции в технологическом процессе. Применение роботов в ГАП оказалось эффективным в связи с их двумя главными свойствами:

1. универсальностью, т.е. возможностью реализации различных видов движений в различных последовательностях.
2. перепрограммированием, т.е. возможностью быстрого изменения программы их функционирования.

ПР могут выполнять в автоматическом режиме следующие функции:

• переналадку на изготовление другого изделия;
• установку изделий, подлежащих обработке в технологическом оборудовании;
• выгрузку готовых изделий;
• очистку установок от отходов производства;
• контроль правильности базирования и установки обрабатываемого изделия;
• контроль рабочих сред и средств, осуществляющих обработку, формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;
• замену средств обработки и рабочих сред;
• контроль параметров, обрабатываемого изделия и формирование корректирующих воздействий по результатам контроля;
• автоматическое управление технологическим процессом на основе принятых критериев эффективности;
• связь с верхним уровнем управления с целью обмена информацией и приема управляющих воздействий;
• диагностику технического состояния и поиск неисправностей.

Задачи, которые роботы решают в настоящее время на промышленных предприятиях можно разделить на три основных категории:

• манипуляции заготовками и изделиями;
• обработка с помощью различных инструментов;
• сборка.

В зависимости  от назначения и задач в ГПС используются следующие типы ПР:

1. складские ПР (используются для работы АСС, которые выдают по запросам основного производства требуемые виды заготовок, полуфабрикаты, инструмент, технологическую оснастку, приспособления);
2. транспортные ПР:

• подвижные (подвесные или напольные (автоматизированные тележки или робокары));

• неподвижные (для обслуживания напольных или подвесных конвейеров);

3. подвижные для обслуживания станков и ТО (подвесные и напольные);
4. неподвижные встраиваемые на станках и ТО;
5. неподвижные напольные для обслуживания станков и ТО;
6. для транспортировки контрольных средств;
7. для выполнения контрольных операций;
8. для выполнения сборочных операций;
9. для удаления стружки и другие.