Современные проблемы автоматизации производства

РАЗДЕЛ II. РАЗВИТИЕ НАРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Л.Д. Абрамова Н.А. Саломатин

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА MODERN PROBLEMS OF AUTOMATION OF PRODUCTION

Аннотация: в статье рассматриваются в общем виде проблемы автоматизации производства исходя их сложившихся в XX веке технологических укладов. Излагаются вопросы организации на предприятиях машиностроения гибких производственных систем и подготовка к созданию предприятий-автоматов.

Ключевые слова: автоматизация производства, технологический уклад, гибкая производственная система.

Аbstract: the article discusses in general terms the problem of automation on the basis of their prevailing in the XX century, technological structures. Questions of organization on the machine-building enterprises of flexible manufacturing systems, production systems and training to create enterprise-machines.

Keywords: automation of production, technological system, flexible manufacturing

system.

Человек на протяжении веков и в настоящее время постоянно стремится к механизации и автоматизации своего физического труда, позволяющего устранить тяжелую, утомительную работу и ускорить её выполнение. Это выражается в использовании соответствующих орудий и средств труда, обеспечивающих частичную механизацию или полную автоматизацию выполнения работ. Например, переход от использования косы к автокосилке травы или от ворота - к мотору для подъема воды из колодца и т.д. В результате постепенно осуществился такой переход во всех сферах человеческой деятельности. Необходимость автоматизации производства диктуется социально-экономическими факторами: повышением производительности общественного труда, облегчением и оздоровлением условий труда работающих, нехваткой рабочей силы, связанной с неблагоприятной демографической ситуацией в народном хозяйстве и замедлением темпа прироста трудоспособного населения, и др.

Сложившийся в конце ХХ столетия пятый технологический уклад, доминирующей техникой которого является микроэлектроника, вычислительная техника, средства автоматизации и связи обрабатывающие центры, характерен и для начала ХХ1 столетия. В настоящее время нарождается новый (шестой) технологический уклад, который включает системы искусственного интеллекта, средства для реализации биотехнологий, глобальные информационные сети, предприятия-автоматы. В этих условиях при автоматизации производства изменяется содержание и повышается сложность труда рабочих, занятых обслуживанием автоматического оборудования. Повышаются роль и значение функций работника, обусловленных повышенными затратами умственной энергии по расчету, контролю, управлению, техническому обслуживанию машин и механизмов, наблюдению за их работой.

При внедрении автоматизации требуется четкость и бесперебойность работы от всех звеньев заводского механизма. Это требование обеспечивается при размещении

© Л.Д. Абрамова, Н.А. Саломатин, 2012

подетально или технологически специализированных производственных участков и цехов в одном производственном корпусе под одной крышей. В этом случае появляется возможность связать между собой участки и цеха единой транспортной системой.

Внедрение отдельных автоматических машин и агрегатов зачастую не дает должного экономического эффекта. Это объясняется тем, что в процессе изготовления продукции на перерывы непроизвольно расходуется огромное количество времени. На предприятиях серийного и мелкосерийного производства время перерывов превышает формообразование в 100 и даже в 200-300 раз. В массовом производстве в основном из-за межоперационного отлеживания деталей время перерывов в 50-70 раз превышает время непосредственной обработки изделия. Поэтому непрерывность процесса производства является важнейшей предпосылкой автоматизации. Непрерывность как предпосылка автоматизации производства обеспечивается путем уменьшения количества производственных операций за счет их совмещения, т.е. создания в результате малооперационной технологии, сокращения продолжительности операций.

Следует отметить, что только внедрение комплексной автоматизации может обеспечить максимальный экономический эффект. Именно в этом процессе происходит наиболее эффективное выполнение различных операций, например, литья, штамповки, механообработки, термообработки, сборки, контроля, совмещение обработки и транспортирования. Автоматизация требует повышения технического и организационного уровня производства на всех этапах производственного цикла изготовления изделий. Резкое повышение производительности оборудования вызывает необходимость особо четкой организации доставки материалов, сырья, полуфабрикатов, комплектующих изделий, деталей и сборочных единиц, распределения их между цехами, совершенствования ремонтно- и инструментообслуживания.

Известно, что при традиционной организации производства детали находятся в цехах только 1% от всего времени изготовления изделия (от задания на проектирование до выхода изделия в качестве готовой продукции). Затраты времени при обработке деталей на станках составляют 5%, а 95% - общее время нахождения деталей в цехах: получение заготовок, термообработка, отлеживание в заделах, простои оборудования, транспортировка, окраска, сборка изделия. При непосредственной обработке детали на станке время резания (формообразования) составляет 15-35%, а 65-85% - время установки детали, измерения размеров, переналадка станка, смена инструмента, простои по разным причинам и т. д.

Указанные обобщенные данные свидетельствуют о том, что в процессе изготовления изделия непроизводительно расходуется огромное количество времени. Поэтому непрерывность непосредственного процесса производства является важнейшей предпосылкой автоматизации. Только непрерывность и автоматическое действие станка (машины) - два важнейших принципа - дают возможность осуществить комплексную автоматизацию производства. Комплексная автоматизация производства представляет собой единый органически взаимосвязанный комплекс системы машин, связанных между собой транспортными устройствами, в котором все технологические процессы, начиная от подачи исходного материала и кончая получением готового изделия, осуществляются в автоматизированном (автоматическом) режиме.

Комплексная автоматизация производства коренным образом меняет характер труда, делает его творческим, осмысленным, приводит к необходимости овладения основами знаний по новой технике и технологии, непрерывного самосовершенствования, требует быть специалистом широкого профиля.

В социальном плане значение автоматизации производства состоит в том, что она сберегает труд обществу, облегчает труд рабочим, формирует качественно новый тип рабочего - оператора автоматизированных систем. Автоматизация производства предусматривает не только полную замену физического труда машинным, но и автоматизацию управления ходом технологического процесса, механизацию

обслуживания машин и производственного процесса в целом. Иными словами, автоматизация обеспечивает управление механизированным производством с помощью системы машин и приборов, специальных устройств без непосредственного участия человека. Комплексная автоматизация производственных процессов, заключается в создании и использовании станков с числовым программным управлением, обрабатывающих центров и на их основе организации гибких производственных систем (ГНС): автоматических линий, участков, цехов и предприятий в целом.

Дальнейшее развитие науки и техники, накопленный опыт создания ГНС, новейших средств вычислительной техники, систем искусственного интеллекта позволили перейти на следующую стадию развития автоматизации производства. На этой стадии будут созданы безотказные самовосстанавливающиеся рабочие машины, производственные системы (малые, средние производственные организации) с большим запасом автономности. Такие организации способны работать не только круглые сутки, неделю, месяцы и годы, но и большую часть времени - в безлюдном режиме и выпускать продукцию любыми партиями, в любое время, столько и когда нужно обществу.

В современных условиях комплексной автоматизации и роботизации производства в организациях машиностроения гибкие производственные системы используются главным образом в мелко- и среднесерийном производстве, где они обеспечивают автоматизированную обработку деталей, сборку изделий и их испытание. За ними будущее, так как они определяют, как уже упоминалось, стратегию развития машиностроения в XXI в. Развитие ГНС, их постепенная интеграция приводит к созданию полностью автоматизированных предприятий машиностроения. Такие предприятия в XXI столетии характеризуются полностью интегрированным производством, включающим в единую систему все необходимые функциональные подсистемы, обеспечивающие процесс производства изделия от выдачи задания на его разработку до реализации в виде готовой продукции.

К составным частям интегрированного гибкого производства относятся:

• Автоматизированная система научных исследований (АСНИ), которая предназначена для автоматизации поиска и анализа результатов ранее выполненных исследований, публикаций, проведения научных экспериментов, осуществления моделирования научных объектов, явлений, процессов, изучение которых традиционными средствами затруднено или невозможно.

• Система автоматизированного проектирования (САПР) - применяется при разработке эскизного, технического и рабочего проектов создания изделий. Нри этом автоматизируется процесс конструкторской подготовки производства от получения задания на разработку до завершения этой стадии процесса создания изделия.

• Автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТНН) - продолжает автоматизацию процесса создания изделия, обеспечивая производство всеми необходимыми данными, технологической документацией, инструкциями, управляющими программами.

• Автоматизированная складская система (АСС) - предназначена для приема с внутрицехового транспорта сырья, материалов, заготовок, инструмента, пустой тары и их временного складирования.

• Автоматизированная транспортно-накопительная система (АТНС) -является основной подсистемой ГНС и в значительной степени определяет функционирование последней. Организационно и функционально она объединяет в производственный комплекс все технологическое и вспомогательное оборудование, реализует связи между станками, подающими устройствами, контрольно-измерительным оборудованием и складом.

• Автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО) -осуществляет сборку, установку в обрабатывающий центр инструментального механизма, использование инструментов для обработки деталей в соответствии с технологическим процессом.

• Автоматизированная система контроля (АСК) - обеспечивает автоматизированный контроль качества изготовления изделия в процессе его обработки.

• Автоматизированная система удаления стружки (АСУС) - осуществляет сбор и удаление стружки в процессе обработки деталей.

• Автоматизированная система испытаний (АСИ) - контролирует в процессе испытаний нового изделия соответствие запроектированных параметров функционирования изделия фактически достигнутым.

• Автоматизированная система управления (АСУ) - в автоматизированном режиме управляет процессами, протекающими в ГПС.

Взаимосвязь основных составных частей ГПС, обеспечивающих при автоматизированном управлении создание нового изделия, представлена на рисунке.

АСНН-САПР-АСТПП-

-АСИ - изделие

Рис. Принципиальная схема взаимосвязей основных составных частей ГПС [2, 3]

Каждый из элементов системного окружения ГПС представляет собой локальную подсистему, выполняющую определенную задачу. Взаимосвязанные и взаимодействующие в результате конечной цели - выпуске изделий, они обеспечивают сквозную автоматизацию научно-исследовательских работ, конструкторской, технологической и организационно-экономической подготовки производства, складирования, транспортирования, производственного процесса изготовления, контроля и испытания изделий. При этом каждая из подсистем и соответствующих им АСУ, являясь внешними элементами по отношению к ГПС, реализует информационное обеспечение производственного процесса на входе в ГПС. При проектировании ГПС необходимо выполнить следующий основной комплекс технологических задач:

- определить перечень деталей для обработки на ГПС;

- определить способы установки заготовок на станок (палету);

- выбрать транспортное и вспомогательное оборудование;

- определить маршрут движения заготовок к станкам и обработанных деталей к складу готовых деталей;

- определить способ передачи (записи) в ЭВМ станков ГНС программ для реализации АСУ ТНН;

- осуществить схемные решения по стыковке межоперационного транспорта с оборудованием;

- обеспечить разработку и автоматизацию функционирования всей системы; склада заготовок, транспорта, накопителей, роботов, станков и т.д.

Нри разработке групповых процессов необходимо обеспечить:

- изготовление каждой детали группы в полном соответствии с чертежом и техническими условиями, что требует назначения строгой последовательности выполнения операций группового маршрута и переходов;

- использование групповой технологической оснастки.

В условиях ГНС технологические процессы необходимо разрабатывать по каждой операции и переходу, определять оптимальный уровень механизации и автоматизации их выполнения. Это требование имеет отношение к следующим операциям и переходам:

- установка и закрепление заготовок на палете (при палетной обработке деталей) или установке заготовок на тактовый стол (при обслуживании станка роботом);

- транспортировка деталей от станка к станку при межоперационном перемещении;

- перемещение заготовки в зону рабочих органов станка и возращение обработанной детали на место складирования (тактовый стол) для снятия с палеты или её перемещение для продолжения обработки к другому станку;

- закрепление и раскрепление детали на станке (при работе станка с роботом);

- обработка детали в автоматическом режиме;

- снятие детали с паллеты (со станка).

Нри автоматизации выполнения указанных операций и переходов важным является высокая степень проработки технологических решений, обеспечивающих своевременную подготовку, отладку управляющих программ и «загрузку» их в память ЭВМ, встроенных в каждый станок ГНС. От уровня автоматизации работ по каждой из операции и переходам зависит степень автоматизации всего процесса, протекающего в ГНС.

Основные этапы создания ГНС:

1. Установление конкретной номенклатуры деталей, для изготовления которых создается ГНС. Эта номенклатура может включать одну или несколько групп деталей, формируется с учетом необходимой их конструктивно-технологической близости, объемов выпуска, требований наиболее высокой производительности и точности изготовления.

2. Разработка укрупненной структуры технологического процесса изготовления установленной номенклатуры деталей. Нри этом разрабатывается общая схема технологического процесса изготовления всех деталей этой номенклатуры, разрабатывается обобщенная типовая технология их обработки.

3. Выбор технологического оснащения ГНС. На основе укрупненной структуры технологического процесса формируются общие требования к необходимому набору станков, а затем формируются требования к отдельным ОЦ и выбирается оптимальное их количество с учетом рациональной степени концентрации операций на отдельных станках, обеспечения автоматичности процесса изготовления деталей, необходимой степени гибкости производства и экономической эффективности всей ГНС.

4. Разработка структуры технологического процесса изготовления деталей каждого вида установленной номенклатуры. Разрабатывается общая структура технологического процесса, структура каждой операции вплоть до рабочих и

вспомогательных переходов. При этом необходимо: провести анализ вариантов обработки различных элементарных поверхностей детали; определить оптимальные режимы обработки; определить набор инструментов и последовательность их использования в каждой операции; определить и увязать с системой координат станка траектории автоматического движения инструментов.

5. Разработка программ работы ОЦ. На этом этапе разрабатываются управляющие программы для выполнения каждой операции. Управляющая программа определяет последовательность выполнения конкретных действий рабочих органов станка: начало работы (включение станка); поиск и смена инструмента, перемещение инструмента по прямолинейному участку траектории; перемещение инструмента по криволинейному участку траектории; конец программы (выключение станка).

6. Разработка пространственной планировки ГПС и общей структуры ее транспортно-складской системы. При этом осуществляется: анализ оптимального размещения ОЦ; анализ возможных вариантов построения и размещения центрального склада и промежуточных накопителей ГПС; анализ характера и интенсивности транспортных потоков в системе; выбор наиболее рационального варианта пространственной планировки и транспортно-складской системы ГПС.

7. Выбор промышленных роботов и транспортно-складского оборудования ГПС. Этот этап тесно связан с предыдущим и выполняется одновременно с ним.

8. Разработка программ работы промышленных роботов и транспортно-складского оборудования.

9. Разработка модели и алгоритмов функционирования ГПС. В основе разработки общей модели функционирования ГПС лежит принцип интеграции потоков предметов производства, инструментов, информации. При этом разрабатываются алгоритмы взаимодействия и координации работы всех единиц оборудования ГПС.

10. Выбор средств вычислительной техники для центральной системы управления ГПС.

11. Разработка программного обеспечения управления ГПС. Программное обеспечение должно обеспечивать работу системы в реальном времени с возможностью установления следующих режимов: полностью автоматическое управление от центральной ЭВМ; автономное управление каждой единицей оборудования; автономное ручное управление с индивидуальных пультов управления каждой единицы оборудования.

Основные источники эффективности ГПС:

- Повышается гибкость производства, размер партии сокращается до минимума.

- Сокращается срок освоения новой продукции.

- Изменяется конструкция выпускаемых изделий по ходу производства.

- Сокращается время подготовки производства, упрощается конструкция приспособлений, уменьшается номенклатура необходимого режущего инструмента.

- Создание ГПС ведет к внедрению и использованию автоматизированных средств проектирования и подготовки производства (САПР, АСУТПП и др.).

- Сокращается количество потребного оборудования, увеличивается коэффициент его сменности.

- Уменьшается потребное количество производственных площадей (на 3040%), а так же вспомогательных площадей (в отдельных случаях - до 75%).

- Растет производительность труда на всех стадиях производства, в том числе проектирования, технологической подготовки, а так же во вспомогательных процессах.

- Сокращается цикл обработки деталей за счет максимальной концентрации операций, автоматизации процессов смены инструмента, заготовок.

- Сокращается межоперационный задел и незавершенное производство. Уменьшаются оборотные средства, сокращаются накладные расходы, ускоряется оборот, капитальные затраты снижаются.

- Сокращается численность работающих, повышается интеллект труда.

- Обеспечивается работа протяженностью в одну смену без присутствия человека или при ограниченном присутствии (оператор-наблюдатель).

- Новышается качество продукции, которое становится функцией качества управляющих программ, станков, приспособлений, режущего инструмента и т. п.

- Снижается себестоимость продукции.

Таким образом, ГНС является мощным средством производства, совмещающим высокую производительность, низкую себестоимость изготовления деталей, и мобильность универсальных станков единичного и мелкосерийного производства. Накопленный опыт использования ГНС в практике работы машиностроительных предприятий позволяет перейти к реализации концепции организации и управлению процессом создания высокоавтоматизированного производства изделий на основе постоянно обновляющейся технологии, т.е. к цехам и предприятиям-автоматам. Такой переход требует интеграции всех элементов ГНС (АСНИ, САЙР, АСТНН и других составляющих) в единую систему комплексной автоматизации проектирования, производства и управления на основе применения современной вычислительной техники и средств информатики.

Реализация такого подхода предполагает в первую очередь эффективное использование автоматизированной системы научных исследований для обработки экспериментальных данных, другой необходимой информации и моделирования на этой основе процессов создания проектов, производства, испытаний и внедрения изделий. Это позволяет ускорить процесс подготовки и непосредственного производства новых изделий. Результаты научных исследований должны быть увязаны с одновременной автоматизацией конструкторских и технологических работ по подготовке информации на технических носителях с конструктивными характеристиками деталей и изделий в целом, а также технологическими процессами их обработки и сборки. Нри этом указанная информация должна быть взаимосвязана с выполнением роботами операций по установке заготовок в отрабатывающий центр, с выбором в инструментальном магазине соответствующего режущего инструмента, снятием обработанной заготовки и укладки ее на тактовый стол.

Особое место в автоматическом производстве занимает система транспортно-складского обслуживания производственного процесса, обеспечивающая автоматизацию выполнения операций складирования, поиск необходимых заготовок для обработки готовых деталей и последующей сборки изделий, а также перемещение их к обрабатывающим центрам и местам сборки. Организация складов-автоматов, оснащенных роботами-штабелерами для выполнения складских операций, а также создание транспортно-накопительных средств (робокар) для доставки заготовок и деталей к соответствующим рабочим местам реализованы в практике работы промышленных предприятий.

Наиболее трудной является задача синхронизации транспортно-складского обслуживания с работой технологического оборудования, так как необходимо четко и строго определить и постоянно поддерживать во времени прохождение материальных потоков через рабочие места автоматической системы обработки деталей и сборки изделий участка, цеха, предприятия в целом. Критерием оптимизации здесь является недопущение простоев технологического оборудования. Нроцесс синхронизации усложняется, если в системе имеются рабочие места, на которых детали обрабатываются на станках с участием человека из-за необходимости выполнения специальных (специфических) технологических операций. Такого рода случаи практически нельзя исключить в сложных производственных процессах.

Важным и ответственным при выполнении операций обработки деталей является процесс автоматизации технического контроля качества обработки. В принципе этот процесс реализован, но не по всем видам выполняемых операций; является дорогостоящим, что сказывается на себестоимости изготовления деталей. К настоящему времени успешно реализовано автоматическое позиционирование заготовок, отслеживание стойкости каждого режущего инструмента, предупреждение его поломок в процессе обработки деталей. Автоматическое же обеспечение качества обработки деталей предусматривает контроль их размеров и параметров по всем переходам и операциям в пределах допускаемых отклонений. Этому способствует предварительный строгий контроль качества поставляемых материалов, комплектующих изделий, их соответствие техническим условиям поставки.

В ГАП указанный процесс должен быть полностью автоматизированным, производственный процесс организован по всему циклу «проектирование, технологическая подготовка производства, складирование предметов труда, обработка деталей», включая контроль их качества на автоматизированной основе его исполнения при комплексном использовании ЭВМ и высококвалифицированных специалистов на каждой стадии разработки и функционировании системы[1].

Такой подход обеспечит организацию в первую очередь цехов - автоматов, которые станут основой создания предприятий - автоматов. По существу это задача большого масштаба, так как речь идет о коренном перевооружении всего межотраслевого машиностроения. Чтобы ее реализовать необходимо создать большое количество систем автоматизации процессов проектирования и управления, включая разработку большого объема программных продуктов с инструкциями по их использованию.

Литература

1. Васильев В.Н. Организация, управление и экономика гибкого интегрированного производства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1986.

2. Управление организацией: Учебник. 4-е изд. / Под ред. А.Г. Поршнева, З.В. Румянцевой, Н А. Соломатина. - М.: ИНФРА-М, 2007.

3. Саломатин Н. А. Организация и управление производством: Учебное пособие. - М.: ГУУ, 2007.

А.И. Алексеев

«НОЖНИЦЫ ЦЕН» НА МИРОВОМ РЫНКЕ ТОВАРОВ: РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ АНАЛИЗ И СОВРЕМЕННАЯ СИТУАЦИЯ

«PRICE SCISSORS» OF THE WORLD MARKET: RETROSPECTIVE STUDY AND THE CURRENT SITUATION

Аннотация: в статье определена методология отнесения фактов расхождения цен к явлению «ножниц цен» и анализируется динамика долгосрочного расхождения цен между отдельными товарами и товарными группами мирового рынка на основании статистики с 1950 по 2011 гг. Представлена оценка возможности сохранения «ножниц цен» на мировом рынке в долгосрочной перспективе.

Ключевые слова: цены, мировой рынок, расхождение цен, ножницы цен, цены мирового рынка нефти.

© А.И. Алексеев, 2012