Тема 6. Гибкие и сверхгибкие производственные системы

1. Гибкие производственные системы (ГПС).

В нашей стране широкое распространение получили автоматические поточные линии, объединяющие комплексы автоматически работающих агрегатных станков и станков-автоматов.

Недостаток – узкая ориентация на изготовление определенного вида изделий. В связи с этим подобные средства можно использовать только там, где производство носит массовый, устойчивый характер.

В промышленно развитых странах крупносерийное и массовое производство составляет лишь 20%, а единичное, мелкосерийное и серийное производство – 80 %.

В целях разрешения противоречий, обусловленных, с одной стороны, мелкосерийностью объектов производства, а с другой, крупными масштабами самого производства, были разработаны методы групповой технологии.

Следующим шагом на пути автоматизации производства является разработка программируемых и за счет этого перенастраиваемых средств, то есть гибкого оборудования. К ним относятся станки с ЧПУ, в том числе обрабатывающие центры, промышленные роботы и другое оборудование. Еще большей гибкостью обладают системы, управляемые от ЭВМ. Подобные системы называют по разному:

В Японии – гибкой автоматизацией, гибким производственным комплексом.

В США – гибкой производственной системой (FMS). (ГПС).

В нашей стране такого рода комплексы называют гибким автоматическим производством (ГАП).

ГАП функционирует на основе программного управления и групповой ориентации производства. На первом этапе ГАП может быть автоматизированным, то есть включать операции, выполняемые с участием человека.

ГАП включает исполнительную систему, состоящую из технологической, транспортной, складской систем и систему управления.

Анализ ГПС позволяет сделать некоторые выводы:

управление транспортными системами и работой станков осуществляется одной или несколькими отдельными ЭВМ;

число станков в ГПС колеблется от 2 до 50. Однако 80% ГПС составлено из 4-5 станков и 15% из 8 – 10;

реже встречаются системы из 30-50 станков (2-3%);

наибольший экономический эффект от использования ГПС достигается при обработке корпусных деталей, нежели от их использования при обработке других деталей, например деталей типа тел вращения. Например в Германии их 60%, в Японии – более 70, в США – около 90%;

различна и степень гибкости ГПС. Например в США преобладают системы для обработки изделий в пределах 4-10 наименований, в Германии – от 50 до 200;

нормативный срок окупаемости ГПС в различных странах 2 - 4,5 года.

Проблемы, возникшие при применении гибких систем

ГПС не достигла поставленных целей по рентабельности; она оказалась слишком дорогостоящей по сравнению с преимуществами, достигнутыми с ней. Обнаружено, что причиной высокой стоимости оборудования были несоразмерные расходы на приспособления и транспортную систему;

разработка и введение в эксплуатацию комплексной ГПС оказалось трудным, а также дорогостоящим;

из-за недостатка опыта было трудно выбирать подходящие типы систем и оборудование для нее;

имеется мало поставщиков систем, которые могут поставлять сложные системы.

в некоторых случаях эксплуатационники получили опыт о фактически слабой гибкости;

конструктивные элементы ГАПС, например, станки, системы управления и периферийные устройства часто оказывались неподходящими к системе и вызывали лишние проблемы по стыковке.

Эксплуатационники часто не имеют достаточной готовности к эксплуатации сложной системы;

Длительный срок выполнения проекта от конструирования до запуска системы.

Перспективы применения гибких систем

одновременное повышение эффективности и гибкости;

повышение степени автоматизации не уменьшая гибкости;

усовершенствование таких измерительно-контрольных методов, которые контролируют в процессе обработки состояние инструмента и обрабатываемых деталей, необходимое для соответствующей автоматической подналадки;

уменьшение количества приспособлений и палет за счет автоматизации крепления деталей;

введение в ГПС таких операций, как промывка, покрытие, термообработка, сборка и т.д.;

развитие профилактического техобслуживания.

Значение ГПС

более высокий коэффициент использования станков (в 2-4 раза больше по сравнению с применением отдельных станков);

более короткое время прохода производства;

уменьшается доля незаконченного производства, т.е. уменьшается количество запасов деталей на складах, которое означает уменьшение продукции, привязанного к производству;

более ясный поток материала, меньше перетранспортировок и меньше точек управления производством;

уменьшаются расходы на заработную плату;

более ровное качество продукции;

более удобная и благоприятная обстановка и условия работы для работающих.

ГПС — это система, допускающая иерархическую организа­цию с комплексно-автоматизированным производственным про­цессом, работа всех компонентов которой (технологического оборудования, транспортных и складских средств, погрузочно -разгрузочных устройств, мест комплектации, средств измерения и контроля и т. п.) координируется как единое целое системой управления, обеспечивающей быстрое изменение программ фун­кционирования элементов при смене объектов производства.

Независимо от физической природы процессов производства ГПС классифицируются по уровням организационной структу­ры: ГПМ — гибкий производственный модуль; ГАУ — гибкий ав­томатизированный участок; ГАЦ — гибкий автоматизированный цех; ГАЗ — гибкий автоматизированный завод. На самом низком уровне организационной структуры производства ГПМ определя­ется как ГПС, состоящая из единицы технологического оборудо­вания, оснащенной автоматизированным устройством програм­много управления и средствами автоматизации технологического процесса. Она функционирует автономно и осуществляет много­кратные циклы, применяется для встраивания в ГПС более вы­сокого уровня организации. В ГПМ могут включаться некоторые вспомогательные средства.

Совокупность взаимодействующих ГПМ, объединенных ав­томатизированной системой управления, функционирующая по технологическому маршруту, который предусматривает возмож­ность изменения последовательности использования технологи­ческого оборудования, образует ГПС вида ГАУ. В ГАУ определя­ется и реализуется множество операций во времени и определен­ной логической последовательности. Структура ГАУ допускает включение его в качестве подсистемы ГПС в более высокого уровня организации, а также использование в условиях действу­ющего неавтоматизированного производства. На базе ГАУ может быть реализована безлюдная технология. Безлюдный режим фун­кционирования, как правило, не превышает по времени третьей части суток (обычно это ночная смена). При недостаточных уровнях надежности технологического оборудования и степени автоматизации отдельных операций управление ГАУ строится на основе предельного упрощения (сокращения) взаимодействия между отдельными ГПМ. Участие человека (оператора) в ГАУ не­обходимо для коррекции технологических режимов и диагнос­тики состояния оборудования и систем управления. Операции загрузки и разгрузки, транспортирования, установки, позицио­нирования и снятия инструмента, загрузки программного обес­печения, пуска и выключения системы управления могут быть полностью автоматизированы.

Совокупность ГАУ, взаимодействие и функционирование ко­торых обеспечивается распределенной системой управления, способных в течение определенного интервала времени выпус­кать технологически законченные изделия заданной номенклату­ры и в установленных объемах, образует ГПС вида ГАП. Объеди­нение ГАП на уровне их систем управления приводит к построе­нию ГПС максимального уровня организации — гибкому автоматизированному заводу (ГАЗ).

При построении ГПС обычно рассматриваются две базовые альтернативные концепции. Согласно одной из них производс­тво реализуется на основе узкоспециализированного технологи­ческого оборудования, обладающего высокими показателями на­дежности и живучести и имеющего встроенные системы контроля и управления. Использование сравнительно недорогого узкоспе­циализированного оборудования, оснащенного системами конт­роля и управления, позволяет изменять конфигурацию ГАУ при изменениях номенклатуры выпускаемых изделий, осуществляя переход от одного вида оборудования к другому.

Иной способ организации ГПС связан с применением много­функционального универсального дорогостоящего оборудова­ния. В этом случае создаются ГАУ с многофункциональными пе­ренастраиваемыми материальными и информационными пото­ками. Надежность функционирования таких ГАУ может быть обеспечена за счет многофункциональности даже при отказах (технологического оборудования в отдельных режимах его ис­пользования).

Гибкость — это системная характеристика. При ее определе­нии обычно используются более элементарные понятия техноло­гической, операционной, производственной и интерактивной гибкости ГПС. Технологическая гибкость оценивается инвариан­тностью показателей эффективности функционирования ГПС к параметрических возмущений технологического типа; придание системам управления ГПМ свойств, обеспечивающих их нор­мальное функционирование при возможных обрывах связей между центральной ЭВМ и локальными системами возмущения.

ГАУ не имеет системных ресурсов для обеспечения техноло­гической гибкости. Такие ресурсы закладываются при проекти­ровании топологии материальных потоков, начиная с уровня гибкого производственного комплекса (ГПК), в который входят ГПМ, объединенные автоматизированной системой управления и автоматизированной транспортно-складской системой, кото­рая автономно функционирует в течение заданного интервала времени как самостоятельная производственная единица либо как подсистема ГПС более высокого уровня организации.

Ресурсы, необходимые для достижения операционной гиб­кости аналогичным образом, делятся на технические и систем­ные. Технические ресурсы обычно связаны с созданием и ис­пользованием в ГПС многофункциональных ГПМ. Системные ресурсы обусловлены наличием в ГПС необходимого множества доступных для выбора технологических маршрутов, использова­ние которых во всяком конкретном случае связано с учетом фун­кциональных возможностей ГПМ.

Системные аспекты обеспечения технологической и опера­ционной гибкости практически мало различаются. Повышение операционной гибкости на системном уровне вызывает повыше­ние технологической гибкости. Однако если последняя характери­зуется числом одноименных маршрутов, то операционная — чис­лом разноименных маршрутов. Соответственно и формализация этих задач различна. Различаются и применяемые оценки гибкос­ти, которые связаны с временем перехода от одного подмножества допустимых наименований к другому или с временем перехода от одного подмножества технологических маршрутов (при зафикси­рованной номенклатуре выпускаемых изделий) к другому.

Свойство интерактивной гибкости ГПС обусловлено наличи­ем в ГПМ средств автоматизированного управления и програм­много обеспечения интерактивных режимов функционирования и диалога. Достижение производственной гибкости более всего зависит от уровня развития САПР и АСТПП, а также от приме­няемых технических средств и программного обеспечения.