Особенности проектирования технологических процессов для ГПС

ГПС и их разновидности применяют для всех видов машиностроительных производств. Наиболее распространенными из них являются ГПМ, ГАУ и ГАЛ.

ГПМ имеет в своем составе многоцелевой станок с ЧПУ, магазин сменных инструментов со значительным числом мест, автоматический пристаночный накопитель заготовок. ГПМ может работать автономно и в составе ГПС более высокого уровня с управлением от централизованной ЭВМ.

ГАУ, ГАЛ и другие более крупные подобные технологические комплексы имеют автоматизированные транспортную и инструментальную системы, участки обработки баз и подготовки наладочных приспособлений с установкой в них прошедших первичную обработку заготовок, бюро технологической подготовки производства и разработки управляющих программ на основе CAD / CAM / CAPP / PDM - систем, пункт компьютеризированного диспетчерского управления технологическими процессами и автоматизированную систему управления производством, представляющую собой структурную составляющую ERP предприятия, автоматизированные склады, системы удаления и переработки стружки, подготовки СОЖ и др. Многие ГПС содержат автоматизированные контрольные участки, участки статистического и операционного контроля, как правило, с использованием КИМ.

Системы управления ГПС за счет высокой гибкости транспортной системы и функциональных возможностей каждого ГПМ позволяют вести изготовление продукции практически в любой технологической последовательности даже при отказе некоторых своих структурных элементов. Расположение автоматизированного оборудования ГПС привязано к порядку следования обобщенного технологического процесса только относительно.

ГАЛ применяют для производств высокой степени серийности. Расстановка оборудования в них приближена к порядку выполнения обобщенного технологического процесса. Однако и в этом случае возможны перекрестные технологические потоки. Так, на рис. 4.1 представлена схема функционального участка ГАЛ с поперечным расположением токарных ГПМ 5 и использованием двурукого ПР 1 установленного на траверсе 2. На линии используются стационарные скоординированные накопители. Так, накопитель 4 содержит заготовки, поступившие из заготовительного производства, накопители 6 являются промежуточными, а накопитель 7 накапливает обработанные заготовки. С помощью ПР можно производить смену инструментальных блоков, для чего предусмотрен специальный магазин 3.

 

Рис. 4.1. Гибкий автоматизированный участок токарной обработки

 

Высокая гибкость подобных производственных систем позволяет обеспечить оптимальную загрузку оборудования посредством оптимизированного диспетчерского управления действующими ТП. Вследствие высокой стоимости ГПС значительную роль играет ТПП, которая практически полностью ведется с использованием информационно-компьютерных технологий.

Применительно к ГПС используют все формы унифицированных ТП: обобщенные, групповые, типовые. Значительную роль играют модульные ТП. Высокой экономической эффективности достигают за счет правильной организации технологического проектирования. Для действующего производства разрабатывают и оформляют рабочие ТП. К особенностям технологического проектирования для условий ГПС относят следующие факторы:

1)  необходимость тщательного подбора номенклатуры производимой продукции по сходным конструкторско-технологическим и параметрическим характеристикам, который может быть описан в виде обобщенного технологического множества { О _тм } с указанием габаритов, применяемых материалов, совокупности технологических баз, параметров точности, типам обрабатываемых поверхностей и характеристикам, расположению поверхностей в пространстве. Множество {О_тм} подвергают классификации по тем или иным признакам;

2)  значительная роль симплификации (устранения излишнего многообразия) и унификации конструктивно-технологических элементов (технологических модулей). Классификационные характеристики продукции и ограничители, содержащие унифицированные технологические модули (УТМ), представлены в виде электронных каталогов. Унифицируют модули технологических баз (МТБ). Кроме того, для УТМ разрабатывают модульные ТП. Подобная информация хранится в базах данных сетевых серверов предприятия;

3)  составление ведомостей применяемых инструментов и других средств технологического оснащения на основе каталогов с множеством рекомендуемой к производству продукции { О _тм }. При этом возможна их широкая унификация на основе УТМ и МТБ. Так, на рис. 4.2, а приведена унифицированная паллета 1 с сеткой установочных отверстий для базирования и закрепления заготовок на искусственные технологические базы. Сетка межосевых расстояний для базирующих отверстий в заготовках и приспособлении согласована. Деталь 2 может быть установлена на нижнюю плоскость и два штыря 5 и закреплена с использованием прихватов 4, которые также монтируют на направляющие отверстия паллеты. Прижимное усилие создается гайками 3. На рис. 4.2, б приведен пример установки конического корпуса коробки скоростей 7 на данную паллету с использованием приливов в заготовке и промежуточных стоек 6;

Рис. 4.2. Установка корпусных деталей на унифицированную плиту (паллету)

 

4)  разработка ТП и управляющих программ применительно к ГПС на основе конструкторских и технологических 3D моделей непосредственно в CAD/CAM-среде с широким использованием библиотеки подпрограмм, составленных для УТМ. Время разработки компьютерной программы для систем ЧПУ с их проверкой посредством компьютерной имитации обработки для относительно сложных деталей составляет несколько десятков минут. В процессе имитации идет автоматический расчет времени выполнения операции на ГПМ и оформление технико-нормировочных карт. Проверенные после имитации программы могут быть непосредственно введены в системы ЧПУ ГПМ по сетевым каналам связи.

Программирование движения исполнительных органов ПР и автоматических транспортных средств робокаров, рельсовых тележек, манипуляторов-перегружателей также ведут с использованием компьютерных моделей. В процессе технологического проектирования с целью оптимизации бизнес-процессов предприятия производят сравнительную экономическую оценку представленных вариантов изготовления продукции машиностроения;

5) анализ множественного комплекса взаимосвязных аспектов {М _tk } при создании ГПС автоматизированной сборки:

{М _tk } = { R_o }^{ S_js }^{ S_mi }^{ V_ev }^{ I_z }^{ U_im }^{ U_uk }^{ P_t }^{ T_s },

где { R_o } - сочетание в технологическом маршруте различных по природе операций (собственно сборки, контроля качества, настройки и тестирования компонентов, установки системного программного обеспечения, упаковки и др.);

{ S_js }- обеспечение требуемого уровня гибкости автоматизированной сборки применительно к модульному построению изделий;

{ S_mi }- параметры синхронизации материальных и информационных потоков с реальным временем выполнения технологических операций;

{ V_ev }- обеспечение выдачи технологических процессов на рабочие места в электронном виде в соответствии с последовательностью запуска в данный момент партий изделий конкретной конфигурации;

{ I_z } - использование высокой степени компьютеризации, информативности и информационной целостности производства;

{ U_im } - совокупность методов реализации эффективных автоматизированных систем управления технологическими процессами и производством на основе компьютерных функциональных моделей и интегрированной CAD/CAM/PDM/IRP-среды в соответствии с имеющимися на текущий момент материальными и трудовыми ресурсами;

{ U_uk } - обеспечение процессов контроля качества и надежности изделий в процессе интегрированного сборочного производства;

{ P_t } - повышение в несколько раз производительности труда;

{ T_s } - снижение затрат на выполнение операций за счет оптимизации технологической себестоимости и операций автоматизированной сборки.

Для ГПС автоматизированной сборки характерны следующие особенности:

специализация - многопредметная переменно-поточная линия с одновременным запуском нескольких конструктивно-унифицированных изделий, изготовление которых ведется поочередно без переналадки рабочих мест;

непрерывность - прерывно-поточная линия (полная непрерывность производственного процесса не достигается, поскольку обеспечивается только приблизительная синхронизация длительности технологических операций);

поддержание ритма — линия со свободным ритмом (соблюдение ритма возложено на подсистему ERP управления сборочными процессами и на самих сборщиков по факту завершения операций по­средством путевой сигнализации);

передача сборочного комплекта — средствами дискретного действия, т.е. маршрутизированный конвейер с гибкой двухкоординатной логикой — перемещение сборочных комплектов к свободным рабочим местам в продольном направлении с последующей поперечной подачей комплектов к местам сборки;

соблюдение информативной целостности технологического и произ водственного процессов — индивидуальное кодирование (обычно с помощью штрихкода) каждого поступающего на сборку элемента ПК и каждого прошедшего очередную операцию сборочного комплекта и компьютерных баз данных;

контроль качества в процессе сборки — для неответственных элементов с параметрами высокой стабильности (корпуса, крышки, шасси, блоки питания, устройства охлаждения) визуальный и мануальный — периодический или статистический; для функциональных систем — непрерывный или статистический после каждой линии сборки с использованием особых контрольных стендов;

контроль качества готового изделия — 100 %-ный полнофункциональный при использовании климатических камер для технологического прогона, дополнительно вибростендов для имитации транспортирования и др.;

контроль стабильности технологических процессов — проведение периодического контроля, выборочных 1...2 %-ных типовых испытаний по расширенной программе, включая испытания на ресурс до наступления отказа;

исправление возможного брака и доукомплектация выполняемого заказа — после диагностики на выделенных линиях ремонта или методом полной разборки изделия с повторным запуском некомплекта на основную линию сборки;

управление поставщиками комплектующих — на основе суточного и недельного электронного план-графика поставок, выдаваемого по сети Интернете индивидуальным учетом и штрихкодированием каждого комплектующего элемента при их укладке в универсальную тару (кассеты или контейнеры) и кодировании каждой единицы поставки, тары и транспортной партии;

работа с персоналом — индивидуальная электронная аутентификация присутствия на рабочем месте, непрерывный персональный учет производительности операций и уровня достигаемого качества сборки;

рабочие места сборщиков — универсальные компьютеризированные, снабженные плазменными панелями для оперативного отображения технологической документации, управляющей и вспомогательной информации, клавиатурами ввода данных и считывателями штрихкодов;

роботизация операций — на основе пространственного 3D анализа моделей собираемых изделий с расчетом сборочных размерных цепей для каждой из шести координат и применением адаптационного позиционирования схватов с помощью технического зрения и компьютерной обработки информации;

применяемая оснастка — полностью унифицированные паллеты для высокоточного базирования сборок с ограниченным набором комплектующих.

транспортные сборочные системы — двухуровневые со структурой в виде обратного графа типа «дерево», имеющего сходимость (стволовое ребро) в конце сборочного конвейера с возвратом паллет и кассет в начало линии сборки;

накопительные (буферные) системы — на базе унифицированных сборочных конвейеров, кассет, контейнеров, накопителей и каркас­ных тележек для их установки, в которых подаются на рабочие места сборочные комплекты.

В первоначальном варианте ГПС сборки основаны на применении ручных технологических операций и компьютерных информационных технологий. В цехе гибкой автоматизированной сборки значительное место занимают автоматизированные склады для комплектующих элементов, межоперационные накопители, стенды имитации транспортирования, линии и участки подготовки сборочных комплектов. Широко применяются автоматизированные контрольные и настроечные стенды, функциональные термокамеры для климатических испытаний с одновременным проведением в них технологического прогона изделий по полной программе в течение нескольких часов, стенды имитации транспортирования, линии упаковки готовой продукции.

Рабочие места для гибкой автоматизированной сборки (РМАС) компьютеризированы. При выполнении полной проектной подготовки производства в компьютеризированные производства внедряют адаптивные ПР для выполнения сборочных операций и переходов.

Автоматизированное управление технологическими и производственными процессами сборки ведется на основе статистического имитационного моделирования применительно к составу собираемых изделий и аутентификации сборщиков на рабочих местах в конкретные периоды времени, что очень важно при изготовлении относительно малых партий изделий. При этом разрабатывают структурные модели рабочих мест автоматизированной сборки. Так, при использовании продольно-поперечного конвейера на рис. 3, а приведена структурная модель М1 единичного РМАС с индивидуальным накоплением паллет, на рис. 4.3, б — модель с групповым накоплением М2(т), где т — число РМАС, используемых на данный момент. При использовании параллельного потока для общих накопителей для моделирования применяют структурную модель М3(n) (рис. 4.3, в), а при использования индивидуальных накопителей - структурную модель M4(q)
(рис. 4.3, г).Кроме того, могут быть применены модели продольного шагового конвейера М5(p), где р — число шагов конвейера между смежными участками (линиями), локального склада М6 и функциональных испытательных устройств — М7. Модель рабочего места для комплектации сборочных комплектов аналогична модели M1.

В автоматизированных сборочных производствах широко применяют автоматические манипуляторы и автооператоры для выполнения сварочных, покрасочных и упаковочных работ. При проектировании и технологическом использовании подобных автоматических средств также применяют карты наладки, определяющие конфигурацию и габариты рабочей зоны их действия.

 

 

Рис. 4.3. Схемы организации рабочих мест автоматизированной сборки

 

Так, процессы окраски с использованием электростатического поля в несколько десятков тысяч вольт сопровождаются чрезвычайно вредными условиями труда. Сконструированный робот-манипулятор, совершающий возвратно-поступательные вертикальные движения (рис. 4.4), позволяет вести конвейерную окраску в непрерывном режиме. Он скомпонован на передвижном основании 1 и несущей колонне 2, по которой на системе пластмассовых колес 3 движется тележка 4. На руках робота-манипулятора 5 установлены пневмораспылители 6 полимеризуемого при нагреве мелкодисперсного порошка. Тележка и руки перемещаются от программно управляемого электропривода с регулируемыми величинами (от —Z₈ до + Z₈) и скоростью перемещений. На представленной схеме приведены все наладочные размеры в координатном пространстве XYZ, определяющие выполнение установленных функций, включая попадание рук в прорези защитных экранов 7электростатической камеры, образующие зазоры s /2 (см. вид А).

Расчет точности монтажа робота и его перемещений проведен с использованием теории скалярно-векторных и динамических РЦ. Конструкция робота-манипулятора весьма проста. Его полная разработка, изготовление и внедрение проведены в течение 4,5 мес. в рыночных условиях, срок его экономической окупаемости не превышает 5 мес. При этом тяжелый ручной труд на конвейере покраски полностью исключен.

 

Рис. 4. Наладка робота-манипулятора для покраски в электростатическом поле

 

Делая итоговые заключения, следует отметить, что для организации рационального функционирования ГПС необходимы поставка и ввод в действие комплексного состава технологического, вспомогательного и компьютерного оборудования, наличие сетевых ИКТ и соответствующих CAD/CAM/CAPP/CAE/PDM/ERP-систем. Внедрение ГПС — реальный путь повышения эффективности производства и его полной автоматизации.

Компьютерные методы ТПП позволяют организовывать производство сложной наукоемкой продукции в распределенных производственных системах, функционирующих в режимах виртуальных предприятий, когда программа обработки, разработанная на одном предприятии, может быть передана по сети Интернет непосредственно на ГПМ другого предприятия.