Автоматизация машиностроения. Системы автоматизации в машиностроении Автоматизация в машиностроении
Приведены сведения по различным аспектам и видам автоматизации машиностроения, в том числе по комплексной автоматизации проектирования и изготовления изделий, автоматизации технологических процессов сборки. Значительное
внимание уделено особенностям проектирования технологических процессов в условиях автоматизированного производства, математическому моделированию в технологических системах, автоматизации проектирования технологических
процессов и управлению техническими объектами и процессами. Рассмотрены вопросы формирования виртуальных производственных систем на базе распределенных производственных систем, использования CALS-технологий и информационных технологий при проектировании и сопровождении изделий на этапах их жизненного цикла.
Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Автоматизированные
технологии и производства». Может быть полезен специалистам, работающим в области машиностроительных технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Машиностроение, 1985.
2. Автоматизация проектирования технологических процессов и средств оснащения / Под ред. А.Г. Раковича, Г.К. Горанский, Л.В. Губич, В.И. Махнач и др. — Минск, ИТК АН Беларусь, 1997.
3. Автоматизированные системы проектирования технологических процессов механосборочного производства / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Машиностроение, 1979.
4. Андреев Г.Н., Новиков В.Н., Схиртладзе А.Г. Проектирование технологической оснастки машиностроительного производства. — М.: Высшая школа, 2002.
5. Андрющенко В.А. Следящие системы автоматизированного сборочного оборудования. — Л.: Машиностроение, 1979.
6. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. — Л.: Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1982.
7. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, примеры, методология. — М.: Наука, 1988.
8. Вороненко В.П., Схиртладзе А.Г., Брюханов В.П. Автоматизированное производство. — М.: Высшая школа, 2001.
9. Гибкие производственные комплексы / Под ред. П.Н. Белянина, В.А. Лещенко. — М.: Машиностроение, 1984.
10. Гжиров Р.И., Серебреницкий П.П. Программирование обработки на станках с ЧПУ. — Л.: Машиностроение, 1990.
11. Диалоговое проектирование технологических процессов. Н.М. Капустин, В.В. Павлов, Л.А. Козлов и др. — М.: Машиностроение, 1983.
12. Евгенев Г.Б. Системология инженерных знаний. — М.: Изд-во. МГТУ им.
Баумана, 2001.
13. Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей на станках с помощью ЭВМ. — М.: Машиностроение, 1976.
14. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования. Система автоматизированного проектирования. В 9 кн. Кн. 6. — М.: Высшая школа, 1986.
15. Капустин Н.М., Дьяконова Н.П., Кузнецов П.М. Автоматизация машиностроения / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Высшая школа, 2002.
16. Капустин Н.М., Кузнецов П.М. Структурный синтез при автоматизированном проектировании технологических процессов деталей с использованием генетических алгоритмов // Информационные технологии, 1998. № 4. С. 34-37.
15. Капустин Н.М., Кузнецов П.М. Формирование виртуальной производственной системы для выпуска изделий в распределенных системах //Машиностроитель. 2002. № 6. С. 42-46.
16. Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. — М.: Машиностроение, 1988.
17. Кузнецов М.М., Усов Б.А., Стародубов B.C. Проектирование автоматизированного производственного оборудования. — М.: Машиностроение, 1987.
18. Металлорежущие станки и автоматы / Под. ред. А.С. Проникова. — М.: Машиностроение 1981.
19. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. — М.: Высшая школа, 1980.
20. Моделирование робототехнических систем и гибких автоматизированных производств / Под ред. Н.М. Макарова. В 9 кн. Кн. 5. — М.: Высшая школа, 1986.
22. Машиностроение. Энциклопедия. Раздел III. Технология производства машин / Под ред. П.Н. Белянина. — М.: Машиностроение, 2000.
23. Мухин А.В. Новые концепции организации промышленного производства // Наука производству. 2001. №5. С. 2 - 7.
24. Норенков И.П. Принципы построения и структура. Системы автоматизированного проектирования. В 9 кн. Кн. 1. — М.: Высшая школа, 1986.
25. Норенков И.П. Разработка САПР. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 1994.
26. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2000.
27. Основы автоматизации машиностроительного производства / Под. ред. Ю.М. Соломенцева. — М.: Высшая школа, 1999.
28. Норенков И.П., Кузьмин П.К. Информация поддержки наукоемких изделий. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002.
29. Павлов В.В. Типовые математические модели в САПР ТП. — М.: Мосстанкин, 1989.
30. Павлов В. В. CALS-технологии в машиностроении (математические модели). — М.: Изд-во МГТУ Станкин, 2002.
31. Программное управление станками / Под ред. В.Л. Сосонкина. — М.: Машиностроение, 1981.
32. Павлов В.В. CALS-технологии в машиностроении (математические модели). — М.: Изд-во МГТУ Станкин, 2002.
33. Роботизированные производственные комплексы / Под ред. Ю.Г. Козырева, А.А. Кудинова. — М.: Машиностроение, 1987.
34. Справочник технолога машиностроителя / Под ред. A.M. Дальского. В 2 т. — М.: Машиностроение, 2001. «Издательство машиностроение - 1».
35. Схиртладзе А.Г., Соколов В.И., Фадеев В.А. Металлорежущие станки с программным управлением и подготовки программ. — Харьков: Высшая школа, 1992.
36. Технология машиностроения. Основы технологии машиностроения / Под ред. A.M. Дальского. В 2 т. Т. 1. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1997.
37. Технология машиностроения. Производство машин / Под ред. Г.Н. Мельникова. В 2 т. Т. 2. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.
38. Технология производства гусеничных и колесных машин / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Машиностроение, 1989.
39. Трудоношин В.А., Пивоварова Н.В. Математические модели технических объектов. В 9 кн. Кн. 4. — М.: Высшая школа, 1986.
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
Страна- производитель | Станки | Станки с ЧПУ/ %-ная стоимость от всех станков | Роботы | |||||
СЭВ | – | – | – | |||||
СССР | 1,6/5,2 % | 8,9/24 % | 21,0/47 % | |||||
Китай | – | – | – | |||||
США | 1,9/19 % | 8,9/34 % | 5,0/44 % | 27,1 | 9,4 | |||
Япония | 1,5/7,8 % | 22,1/50 % | 35,3/70 % | 116,0 | 46,8 | |||
ФРГ | 0,8/8,3 % | 4,7/28 % | 14/65 % | 12,4 | 4,8 |
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).
Принципиально новые технологические процессы требуют создания нового технологического оборудования. Поэтому для их быстрой реализации необходима комплексная разработка технологии и технологического оборудования.
Важнейшая проблема развития любого современного производства - автоматизация технологических процессов.
Особенно актуальна она для машиностроения, и вот почему. Во-первых, здесьочень велика трудоемкость производства. Приведем лишь два примера: изготовление паровой турбины мощностью 500 тысяч киловатт по нормам занимает 300 тысяч часов, создание листопрокатного стана «2000» - 5,2 миллиона часов. Во-вторых, из 10 миллионов рабочих-машиностроителей около половины занято ручным трудом.
Автоматизация машиностроения не только увеличивает производительность труда, устраняет ручной тяжелый и монотонный труд, но и повышает качество и надежность изготовляемых изделий, улучшает коэффициент использования оборудования, сокращает цикл производства.
В чем суть автоматизации любого технологического процесса? Автоматизация должна обеспечить без участия человека заданные кинематику и параметры рабочего процесса с требуемой последовательностью и точностью.
Сложность автоматизации машиностроения заключается в том, что технология здесь не непрерывная, а дискретная и к тому же чрезвычайно разнообразная. Машиностроительное производство делает миллионы разных деталей, причем изготовление каждой детали связано с выполнением большого количества технологических операций. Литье, ковка, сварка, термообработка, механическая обработка, упрочнение, нанесение покрытий, неразрушающий контроль, сборка, испытание... И каждый из этих и многих других не упомянутых здесь технологических процессов имеет еще и различные варианты в зависимости от используемых материалов, формы, размеров и серийности деталей, требований к точности, эксплуатационным свойствам и т. д.
В машиностроении массовое производство составляет лишь 12%, и даже вместе с крупносерийным - всего 29%, а на долю серийного и индивидуального производств приходится 71%. Это осложняет решение проблемы автоматизации, так как при мелкосерийном производстве нужна гибкая, быстро перестраиваемая система автоматического управления технологическими процессами. Наиболее целесообразна здесь двухиерархическая система управления: непосредственно каждым технологическим процессом управляет своя малая ЭВМ, а управление всем производством с учетом получаемой от них информации осуществляют уже обычные ЭВМ.
Такой путь весьма перспективен для автоматизации машиностроения. Но, конечно, и для его реализации необходимо совершенствовать технологическое оборудование и технологические процессы.
До настоящего времени закономерности многих технологических процессов машиностроения недостаточно раскрыты, и рабочие параметры регулируются эмпирическими приемами. На заводах из-за влияния масштабного фактора и других производственных условий недостаточно изученную технологию приходится отрабатывать заново.
Проблемы эти становятся все более актуальными, так как создание новой техники связано с усложнением конструкций, применением труднообрабатываемых материалов, повышением требований к качеству, надежности, эксплуатационным характеристикам.
В заготовительном производстве наиболее эффективны непрерывные технологические процессы, например, непрерывная разливка стали, прокатка заготовок, гибка пространственных пустотелых заготовок из листа и бунтовой ленты. Непрерывные процессы, наиболее благоприятные для автоматизации, обеспечивают наибольшую производительность и экономию металла.
Для улучшения условий автоматизации и механизации сборочных работ, которые очень трудоемки и в серийном производстве в основном выполняются вручную, необходимо совершенствовать конструкции деталей и компоновку машин, повышать точность размерной обработки, оптимизировать допуски и размерные цепи машин.
Автоматизация отдельных технологических операций, конечно, повышает производительность и качество продукции. Но наиболее эффективна комплексная автоматизация последовательно связанных технологических операций. При этом устраняются неточности предыдущих операций, которые могут нарушать работу автомата на последующей операции, обеспечивается синхронизация потока технологических операций, устраняющая простои автоматов.
При мелкосерийном производстве подготовка производства, проектирование и изготовление оснастки, наладка оборудования, установка, выверка изделий, контроль, транспортировка и складирование связаны с большими затратами труда и времени. Поэтому наибольший эффект в машиностроении дает интегральная автоматизация: основные технологические операции автоматизируются совместно с вспомогательными, контрольными и транспортными работами.
Опыт применения интегрально автоматизированных поточных линий в производстве показывает, что производительность труда повышается до четырех раз.
Чтобы комплексные автоматические системы обеспечивали высокую работоспособность и исключали труд наладчиков, управление должно базироваться на принципах адаптации и корректировки рабочих процессов. В этом случае параметры технологического процесса, состояние инструмента, заготовки, ее установка, координация, точность обработки должны контролироваться датчиками, передающими необходимую информацию, на основе переработки которой регулируются параметры рабочих процессов, перемещаются или заменяются инструменты и т. д.
Поточные автоматические линии надо укомплектовывать автоматически управляемым технологическим оборудованием, транспортными средствами, контрольными приборами, кантующими, установочными, съемочными манипуляторами. В ряде случаев требуются точные манипуляторы с большими кинематическими возможностями, а иногда и со слежением и автоматической корректировкой операций. Такие сложные и автоматизированные манипуляторы, заменяющие далеко не простой ручной труд, обычно называют роботами.
Практика показывает, что роботы должны использоваться не только для вспомогательных операций, но также для автоматизации сложных, разнообразных технологических операций, например, пространственной сварки, сборки, обрубки, зачистки, упаковки. Такие операции требуют автоматического слежения и пространственной ориентации, и для их автоматизации роботы должны иметь адаптивное управление.
Большое значение имеет также автоматизация систем технологической подготовки производства , которая должна обеспечивать автоматическое проектирование технологических процессов, анализ технологичности конструкций, определение номенклатуры оснастки, инструмента, разработку программ управления и т. п.
Автоматическое управление технологией не только исключает субъективные ошибки, свойственные ручному труду, но и обеспечивает высокую стабилизацию технологических процессов, корректировку их параметров в связи с колебаниями размеров и свойств заготовок исходных материалов, изменениями состояния оборудования и инструмента.
Даже в тех случаях, когда технологический процесс полностью автоматизирован и обеспечивается его стабильность, проблема автоматизации контроля полностью не устраняется. Поэтому надо развивать автоматические методы и средства анализа химического состава материалов, неразрушающего и метрологического контроля, механических испытаний.
И в заключение отмечу, что автоматизация производства значительно упрощается и дает наибольший экономический эффект с повышением серийности производства. Вот почему важнейшее условие расширения автоматизации - специализация производства и максимальная унификация изделий. Этому принципу технической политики необходимо уделять большое внимание.
Член-корреспондент Академии наук СССР Н. Зорев, директор Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ).
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