Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. Том 3. Проектирование станочных систем - Проников А.С., Гусев А.А., Васильев Г.Н., Горнев В.Ф.

Автор: Проников А.С. Гусев А.А. Васильев Г.Н. Горнев В.Ф.
Теги: аэродинамика теория полёта отдельные машиностроительные и металлообрабатывающие процессы и производства машиностроение справочник металлорежущие станки станочные конструкции станкостроение
ISBN: 5-7028-0100-8
Год: 2000
Похожие
Автоматизация и механизация производства
Автоматизация производственных процессов в машиностроении
Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Том 2. Часть 2. Расчет и конструирование узлов и элементов станков
Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Том 1. Проектирование станков
Текст
                    ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ' СТАНКОВ
И СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
СПРАВОЧНИК - УЧЕБНИК В ТРЕХ ТОМАХ
ТОМ 3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
Под общей редакцией д-ра техн, наук, Лауреата Государственной премии СССР, Заслуженного деятеля науки и техники РФ, профессора А.С. Проникова
Рекомендовано Министерством образования РФ в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальностям «Металлорежущие станки и инструменты» и «Технология машиностроения»
МОСКВА
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МГТУ им. Н.Э. БАУМАНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО
МГТУ «СТАН КИН»
2000
УДК 533.6 (075.8)
ББК 34.63-5
П 79
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Авторы тома: д-р техн, наук, проф. АС. Проников,д-р техн, наук, проф. ГН. Васильев, д-р техн, наук, проф. В.Ф. Го р н е в, д-р техн, наук, проф. А А Гусев, канд. техн, наук, доц. В.В. До до н о в, д-р техн, наук, проф. В.И. Золотухин, д-р техн, наук, проф. И.А.Клусов, канд. техн, наук, доц. Б.Н. Кузнецов, д-р техн, наук, проф. В.АЛещенко, д-р техн, наук, проф. АН.Лукаш, д-р техн, наук, проф. В.Г. Митрофанов, канд. техн, наук, доц В.К. Москвин, д-р техн, наук, проф. Е.Г Нахапетян, канд. техн. наук. Е.А. Петров, д-р техн, наук, проф. В.Н. Подураев, д-р техн, наук, проф. АФ. Прохоров, д-р техн, наук, проф. АВ. Пуш, канд. техн, наук, доц А.В. Рыбаков, д-р техн, наук, проф. Ю.М.Соломенцев, д-р техн, наук, проф. В.Л. Сосонкин, канд. техн, наук, доц. В.С. Стародубов, канд. техн, наук, дои Б. А. У с о в, д-р техн, наук, проф. Б.И. Черпаков
Проектирование металлорежущих станков и станочных систем:
П79 Справочник-учебник в 3-х т. Т. 3: Проектирование станочных систем/Под общей ред. А.С. Проникова-М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана; Изд-во МГТУ «Станкин», 2000. - 584 с.
ISBN 5-7028-0100-8 ISBN 5-7038-1490-1
Рассмотрены основные типы станочных систем и методы их расчета и проектирования. Анализируются автоматические линии и системы, построенные на базе металлорежущих автоматов, роторных машин и сборочных модулей. Особое внимание уделено гибким производственным системам, их транспортным и складским устройствам, системам управления и диагностики, а также методам их проектирования и моделирования. Содержание книги соответствует курсам лекций, читаемым авторами в МГТУ им. Н.Э. Баумана и МГТУ «Станкин».
Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальностям «Металлорежущие станки и инструменты», и «Технология машиностроения», преподавателей, а также инженерно-технических работников, работающих в области станкостроения.
УДК 533.6(075.8) ББК 34.63-5
Учебно-справочное издание
Проников Александр Сергеевич, Васильев Герман Николаевич, Горнев Вадим Федорович и др.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ И СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
В трех томах
Том 3
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
Z J
Редактор Л.М. Элькинд
Переплет художника В.С. Голубева Корректор Г. С. Беляева
Изд. лиц. № 020523 от 25.04.97 (Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана). Изд. лиц. № 040072 от 22.08.99
. (Изд-во МГТУ «Станкин»). Подписано в печать 29.02.2000. Формат 70 х 100/16.
Бумага офсетная. Печ. л. 36,5. Усл. печ. л. 47,1. Уч.-изд. л. 52,83. Тираж 1500 экз. Заказ 42
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 107005, Москва, 2-я Бауманская, 5.
Издательство МГТУ «Станкин». 101472, Москва, Вадковский пер., За.
ISBN 5-7028-0100-8 (т. 3, Изд-во МГТУ - «Станкин»)
ISBN 5-7038-1490-1 (т. 3, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана)
ISBN 5-7038-1259-3 (Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана)
© А.С. Проников, Г.Н. Васильев, В.Ф. Горнев и др., 2000.
Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета в ППП «Типография «Наука». 121099, Москва, Шубинский пер., 6
170-летию МГТУ им НЭ. Баумана посвящается
Предисловие к третьему тому
Этот том является завершающим в справочнике-учебнике по проектированию металлорежущих станков и станочных систем. Он посвящен расчету и проектированию автоматизированных систем, в которых в единый комплекс, выполняющий данную технологическую задачу, связаны как металлорежущие станки, так и сборочные модули, транспортные, диагностические и другие устройства, которые должны обеспечить высшую эффективность производственного процесса. Особенно перспективны гибкие производственные системы, которым в данном томе уделено существенное внимание.
При создании станочных систем число новых вариантов постоянно растет, однако в данном томе была сделана попытка дать методологические основы проектирования станочных систем, которые позволяют генерировать новые конструктивные и принципиальные решения и объяснять причины их возникновения.
Проектирование станочных систем является весьма непростой задачей, поскольку в единый комплекс объединены технологические и конструкторские решения, автоматизированные системы управления различного уровня, а всей системе присущи свойства, характерные для любой сложной системы. Поэтому в учебнике приведены методы анализа вариантов систем и выбора технологической структуры, а также даны основы моделирования производственных систем.
Многие методические и теоретические разработки, которые приведены в данном томе, пригодны не только для станочных систем, но и для многих других автоматизированных производственных систем.
Глава 1.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ В МАШИНОСТРОЕНИИ
1.1. Стратегия развития и применения комплексов
Непосредственная обработка заготовки изделия машиностроительного производства на всех этапах его изготовления занимает 2 - 5% общего рабочего времени, остальное время приходится на различные виды внутризаводских транспортных и контрольных операций, а также на межоперационное «пролеживание». Даже из тех 5% времени, когда заготовка установлена на станке, собственно обработка занимает 20 - 30%. Поэтому повышение эффективности производства достигается совершенствованием всех технологических, транспортных, контрольных и других операций путем соединения оборудования в технологические автоматизированные комплексы, в которых благодаря использованию ЭВМ автоматизированы также подготовка и планирование производства. Создается принципиально новое высокоавтоматизированное переналаживаемое оборудование, обеспечивающее конкурентоспособное в условиях рынка производство, качество продукции и безотказную работу в безлюдном режиме в течение определенного интервала времени (не менее одной смены). Такое оборудование значительно (почти в 10 раз) дороже оборудования с ручным управлением. Поэтому его эффективность может быть обеспечена только при условии трехсменного режима работы (в ряде случаев даже непрерывной эксплуатации без остановки производства в субботу и воскресенье). Отсюда стремление повысить степень непрерывности производственного процесса при обеспечении высокого качества и эффективной производительности труда на каждой технологической операции.
Автоматизированные комплексы начали применять в массовом и крупносерийном производстве, для которых в 30-е годы были созданы первые поточные и автоматические линии. После второй мировой войны появились первые автоматические цеха и заводы массового производства по изготовлению поршней, деталей подшипников качения и др. В пятидесятые годы началась автоматизация серийного производства, для которого создавалось принципиально новое оборудование и системы его управления. В табл. 1.1 приведены систематизированные данные по этапам внедрения автоматизированных технологических комплексов и их составных частей (ГПС, роботов и др.), а также примерная длительность этих этапов.
1.1. Этапы внедрения автоматизированных технологических комплексов
Технологическое достижение	Начало внедрения демонстрационных систем на ведущих фирмах	Начало широкого внедрения в производство (длительность внедрения, лет)
Системы с ЧПУ оборудованием	1955- 1960	1970- 1975 (15)
Промышленные роботы	1965- 1970	1980(10- 15)
Системы автоматизированного	1970- 1975	1985 (10- 15)
проектирования		
Гибкие автоматизированные участки	1970- 1975	1985- 1990(15)
Гибкие автоматизированные заводы	1980- 1995	2000*(20)
* Прогноз
Рассмотрим укрупненную структурную схему применения различных типов оборудования на уровне России и отдельного машиностроительного завода, использующего автоматические технологические комплексы (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Структурная схема областей применения металлорежущего оборудования с различным уровнем автоматизации:
ПУ - станки с программным управлением; МС - многоцелевые станки; ГПМ - гибкие производственные модули; ГАУ - гибкие автоматизированные участки; ГАЛ - гибкие автоматизированные линии
Стратегия развития автоматизации в условиях радикальной экономической реформы должна наиболее полно удовлетворить потребителей, заинтересованных в перевооружении активной части парка основного производства машиностроения.
Немашиностроительные (прочие) отрасли промышленности оснащают механизированными или автоматизированными станками классов Н и П с ручным управлением. Во вспомогательных производствах машиностроительных предприятий используют широкоуниверсальные и прецизионные станки классов В, А и С с ручным управлением, а для обработки криволинейных и пространственных поверхностей - станки с ЧПУ. Эффективное применение ГПС и других систем машин, традиционных линий, роторных и роторно-конвейерных линий возможно только в условиях концентрации производства на предприятиях машиностроительного комплекса. Так, инженерным центром Санкт-Петербургского технического университета создана ГПС «Образцы» для автоматизации вспомогательного производства на одном из машиностроительных заводов, предназначенная
для комплексного изготовления и испытания образцов металлоизделий -их изготовления и разрушающего контроля комплекта образцов для получения экспресс-анализа выпускаемого проката с автоматической печатью протокола испытаний. Средняя производительность 100 тыс. образцов в год; создание ГПС стало возможно только после концентрации производства на уровне завода в целом.
Для основного производства завода используют различное по уровню автоматизации оборудование:
в условиях единичного, мелкосерийного и среднесерийного производства - механизированное и автоматизированное универсальное оборудование с ручным управлением, оборудование с ЧПУ, ГПМ и ГПУ;
в условиях крупносерийного и массового производства - специальные и агрегатные станки, АЛ, автоматы и полуавтоматы, в том числе с управлением от программируемых контроллеров (ПК) и ЧПУ, а также ГАЛ [4];
в условиях сверхмассового производства - АРЛ и АРКЛ.
Автоматизированные комплексы в зависимости от характера производства, определяемого масштабом выпуска и номенклатурой продукции, комплектуют оборудованием с различным уровнем автоматизации, чтобы обеспечить полный технологический цикл и технико-экономические показатели: заданное качество продукции, производительность в конкретных условиях производства и требуемую норму прибыли в условиях действующего хозяйственного механизма.
£ 250000 -
: юо ооо
юоо
во
20000
АРЛЕ
Станки с ЧПУ
2	10	100	700
Массовое Крупносерийное Среднесерийное	Мелкосерийное Единичное
производство производство производство	производство производство
Число наименований деталей, обрабатываемы* на производстве

53
Рис. 1.2. Области применения автоматизированного металлорежущего оборудования (размер партии запуска указан условно)
Примерные области рационального применения отдельных станков и технологических комплексов с различным уровнем автоматизации в зависимости от размера партии запуска (типа производства) приведены на ис. 1.2. Как видно, действуют противоречивые требования: увеличение производительности и рост гибкости. Поэтому конструктивно оборудование с различным уровнем автоматизации существенно различается. К оборудованию, применяемому в автоматизированных комплексах многих
производств, относятся промышленные роботы, используемые как для за-грузки оборудования, так и выполнения технологических операций.
Эффективные области применения автоматизированных технологических комплексов в зависимости от годовой программы выпуска и требуемой точности обработки приведены в табл. 1.2.
Современное автоматизированное механообрабатывающее производство строится на основе «социального заказа» путем взаимодействия двух глобальных представлений: какими должны быть технико-экономические показатели использования автоматизированного оборудования в условиях рынка и каковы в современных условиях пропорции применения различных типов автоматизированного оборудования для обеспечения требований к гибкости при переходе на выпуск новой или модернизированной продукции.
1.2. Эффективные области применения автоматизированных технологических комплексов
Комплексы	Годовой выпуск, тыс.шт.	Номенклатура деталей	Обновление номенклатуры без остановки производства	Точность обработки деталей
ГПС	10-25	10-100	Возможно до 50% в год	Высокая
Гибкие автоматические линии (ГАЛ)	100-500	1-10	Ограниченное, до 10 - 30% в год	Высокая, средняя
Автоматические роторные линии	1000-3000	1	Невозможно	Ограниченная
Технико-экономические показатели оборудования (в том числе интегрированного) обусловлены его составом и комплектацией, структурной и компоновочной схемой, конструктивными особенностями и качественными характеристиками отдельных узлов и подсистем, уровнем информа-ционно-управляющего обеспечения.
В качестве примера, подтверждающего эффективность использования автоматизированных комплексов с высоким уровнем автоматизации, можно привести анализ и специальные расчеты, обосновывающие применение сложных и дорогих систем, выполненные фирмой Mazatrol (Япония) для условий рыночного производства. Для анализа взято реальное производство 55 шт. одинаковых корпусных деталей в день. Программа выпуска продукции задана одинаковой. Производство по заданной программе может быть обеспечено следующими автоматизированными комплексами: семью многоцелевыми станками с ЧПУ, каждый с двумя палетами; пятью многоцелевыми станками с ЧПУ, объединенными в отдельные модули, каждый с шестью палетами; ГАУ, состоящим из трех ГПМ. На рис. 1.3, а показаны отдельные характеристики функционирования трех рассмотренных вариантов возможной автоматизации обработки. На рис. 1.3 приняты условные обозначения: 1 - технологический комплекс из многоцелевых станков; 2 -отдельных ГПМ на базе многоцелевых станков; 3 - представляющих ГАУ на базе ГПМ.
При анализе сравнивали следующие характеристики: I - коэффициент использования оборудования, %; II - время функционирования станка без участия оператора, человеко-день; III - время функционирования станка с участием оператора, человеко-день; IV- сроки окупаемости затрат, годы; V-площадь, занимаемую оборудованием, м2.
На рис. 1.3, б показана зависимость роста прибыли по годам, а на рис. 1.3, в - окупаемость затрат по годам для этих автоматизированных комплексов.
Важным показателем применения автоматизированных комплексов является изменение численности и характера труда персонала. Социальный фактор развития автоматизации является в конце XX века определяющим.
Рис. 1.3. Сравнительные характеристики трех вариантов автоматизированных технологических комплексов:
а - характеристики функционирования: / - коэффициент использования оборудования, %; II- время функционирования без оператора, человеко-день; ///-фонд времени функционирования с оператором, человеко-день; IV- сроки окупаемости, годы; И-площадь, м2;
6 - прибыль; в - окупаемость
В табл. 1.3 приведен анализ изменения состава обслуживающего персонала при внедрении ГПС АЛП-3-1, разработанной в НИАТе, в сравнении с использованием универсальных станков с ручным управлением или станков с ЧПУ. Как видно, внедрение ГПС сопровождается важными изменениями состава и функций обслуживающего персонала, например использованием программистов и инженеров по обслуживанию вычислительной техники.
1.3. Изменение состава обслуживающего персонала (с учетом опыта эксплуатации) ГПС мод. АЛП-3-1
Профессии и должности обслуживающего персонала	Численность производственного и обслуживающего персонала при обработке		
	на универсальных станках	на станках с ЧПУ	на ГПС мод.АЛП-3-1
Рабочие станочники и операторы	90	26	4
Сменные и старшие мастера	7	2	2
Контролеры, контрольные мастера	10	4	4
Наладчики оборудования и систем ЧПУ	Нет	6	4
Операторы по загрузке, разгрузке и подготовке оснастки	Нет	2	6
Транспортные рабочие и распределители работ	8	4	Нет
Инженеры по обслуживанию вычислительной техники	Нет	Нет	8
Программисты	Нет	6	6
Итого работающих	115	50	34
На основе анализа и практики применения технологических комплексов можно сделать вывод о тенденции использования оборудования с высоким уровнем автоматизации. Таким образом, применение автоматизированных комплексов с высоким уровнем автоматизации определяет выбор рациональной области применения, которая устанавливается в каждом конкретном случае технико-экономическим расчетом (с учетом финансовых возможностей предприятия на первичное вложение средств).
1.2. Основные этапы развития комплексов
В развитии автоматизации производства в машиностроении и металлообработке при создании технологических комплексов можно выделить четыре основных этапа (табл. 1.4).
На этапе I автоматизирован только технологический процесс обработки на станке. Другие процессы производства (межстаночное транспортирование, межоперационный контроль, уборка стружки) в пределах поточной линии выполняются вручную, также, как и внутрицеховое транспортирование, складирование. Автоматизация технологических процессов охватывает лишь отдельные, как правило черновые и полу-чистовые операции обработки, а финишная обработка, сборка, контроль и упаковка готовой продукции производится вручную с применением
1.4. Основные этапы развития автоматизированных
Этап	Общая характеристика уровня	Оборудование			
		обрабатывающее	транспортное	контрольное	для уборки стружки
	Автоматизация рабочего цикла отдельного обрабатывающего оборудования массового производства	Автоматы и полуавтоматы	Нет	Нет	Нет
II	Автоматизация разнообразных и транспортных операций заготовок и изделий на группе обрабатывающего оборудования массового производства	Автоматизированное оборудование	Агрегаты д ля операционного транспортирования, накопления заделов	Контрольные автоматы, приборы активного контроля	Транспортеры, встроенные в станки
III	Комплексная автоматизация, выполнение в автоматическом цикле полного объема технологических и транспортных операций при обработке и подсборке изделий в крупносерийном и массовом производствах	Автоматы с элементами переналадки	Агрегаты для межоперационного и межлинейного транспортирования и накопления заделов	Контрольные автоматы, приборы активного контроля, автоматизированные участки окончательного контроля и сортировки	Автоматизировано, имеется участок первичной подготовки стружки к переработке, например брикетирование
IV	Полная автоматизация (интегрированное компьютеризированное производство, CIM) всех этапов создания и производства изделия (машины): подготовка производства, опытное, опытно-промышленное и установившееся. Серийное производство	Станочные модули <	Промышленные роботы, агрегаты для межоперационного и межлинейного транспортирования с изменением направления потока заготовок, автоматизированные склады	Контрольноизмерительные машины и автоматизированные участки окончательного контроля и сортировки	Автоматизированные участки сборки и переработки стружки в изделия
комплексов в машиностроении
Выполняемые операции			Система управления	Вид комплекса	Функции, выполняемые человеком при эксплуатации комплекса	Использование оборудования
черновые	чистовые	сборочные, окончательный контроль				
Автоматизированное обрудова-ние	Автоматизированное обрудова-ние (в некоторых случаях)	Не автоматизированы	С распределительным валом и кулачками	Поточная линия	Межоперационное транспортирование, наладка станков, контроль технологического процесса, устранение отказов, организация и управление производством	Работа в две смены; коэффициент использования 0,4 - 0,5
Автоматизированное оборудование	Автоматизированное оборудование	Отдельные сборочные операции автоматизированы	Гидравлические и электрические (технологическим и транспортным оборудованием)	Автоматическая линия	Наладка станков, устранение отказов, межлинейное транспортирование, организация и управление производством	Работа в две смены; коэффициент исполь- зования 0,5 - 0,7
Автоматизированное оборудование	Автоматизированное оборудование	Автоматизированы основные сборочные операции	Гидравлические и электронные (технологическим и транспортным оборудованием)	Системы автоматических линий, автоматические цеха и заводы для одно- и малономенклатурного производства	Наладка станков, устранение отказов, малолюдный режим обслуживания оборудования в третью смену, организация производства	Работа в 2 — 3 смены; коэффициент использования 0,6 - 0,8
Автоматизированное оборудование	Автоматизированное оборудование	Автоматизированы основные сборочные операции	Комплексно-автоматизированные (проектирование изделий и технологий, планирование, управление качеством продукции, локальное управление оборудованием, диагностика) на базе средств вычислительной техники, объединения сетями локальных систем управления на базе ЧПУ и командоаппаратов	Г ибкие автоматизированные участки, цеха и заводы	Наладка станков при переходе на изготовление новой продукции, устранение отказов, малолюдный (или безлюдный) режим во 2-ю и 3-ю смены	Работа в три смены, также в субботние и воскресные дни, праздники, коэффициент использования до 0,9
средств механизации. При таком уровне автоматизации оборудование в условиях мелко- и среднесерийного производства используется по времени только на 8 - 10%, в условиях поточного крупносерийного производства - на 20 - 25%, при этом занятость рабочего достаточно высока -70 - 90%.
Экономический эффект на этапе II автоматизации обеспечивает повышение производительности отдельных станков, значительное сокращение затрат ручного труда благодаря автоматизации межстаночного транспортирования, частично контроля, уборки стружки.
На этапе III комплексная автоматизация охватывает все стадии производства изделия, например деталей (поршня, клапана и др.) или сборочных узлов (подшипника качения и др.), начиная с получения исходных материалов и полуфабрикатов и кончая сборкой и упаковкой изделия. Однако автоматизация касается только материального потока, в значительно меньшей степени автоматизированы получение и использование производственной информации.
При этом комплексная автоматизация не коснулась единичного, мелко- и среднесерийного производства, так как традиционные средства автоматизации массового производства оказались экономически невыгодными. Применяемые технические средства в большинстве случаев были одноцелевыми, специальными; использовать их для производства других изделий было невозможно. Другие средства были формально переналаживаемыми, однако их трудоемкая переналадка оказывалась эффективной только при изготовлении больших партий деталей, близких по конструктивному исполнению.
Принципиальное отличие этапа IV (полной автоматизации) от предыдущих состоит в том, что появляется сквозной цикл проектирование -изготовление продукции. При этом изготовление продукции рассматривается в широком смысле, т.е. как гибкое производство сложных изделий (автомобилей, тракторов и др.) в условиях от единичного до массового выпуска. Организация производства каждого нового сложного изделия должна пройти ряд этапов: проектирование, подготовку производства, опытное, опытно-промышленное и этап установившегося стабильного производства. Во многих случаях установившееся стабильное производство может не всегда быть массовым, а например, серийным и даже мелкосерийным. В этом случае изменяются только технические средства автоматизации (технологическое и транспортное оборудование, система управления), а общая методология его построения сохраняется.
Требования к такому производству состоят в обеспечении его конкурентоспособности при высокой производительности и минимальном участии человека, и во всех случаях при стабильном качестве продукции.
В условиях полной автоматизации существенно изменяются процессы управления. Они основаны на широком применении средств вычислительной техники на всех уровнях. В процессе производства применяется интегрированное гибкое оборудование с числовым программным управлением, работающее в условиях безлюдной и частично малолюдной технологии.
1.3. Тенденции технического развития станочных комплексов
Технологические комплексы из станков с ЧПУ. Существенным шагом в дальнейшей реализации гибкой технологии в механической обработке явился переход к технологическим комплексам из станков с ЧПУ на базе ЭВМ (устройства ЧПУ типа CNC), обеспечивающих обработку заготовок и только в отдельных случаях - транспортные операции и подготовку производства.
Технологические комплексы из станков с ЧПУ находят широкое применение в серийном производстве в различных отраслях машиностроения, и уже накоплен опыт их эффективного использования как в мелкосерийном, так и в отдельных случаях в массовом производстве. Применение комплексов из станков с ЧПУ позволяет значительно упростить и ускорить переход на изготовление новой продукции, стабилизировать производственный процесс путем сокращения брака (особенно при изготовлении сложных деталей), повысить точность и качество обработки, уменьшить цикл изготовления деталей (многоцелевые станки), сократить сроки подготовки рабочих требуемой квалификации.
Применение в комплексе станков с ЧПУ типа CNC позволяет: обеспечить резкое сокращение числа входящих единиц оборудования за счет многофункциональности станков; повысить надежность и упростить обслуживание; расширить диагностику неисправностей; редактировать программы непосредственно на станке в режиме диалога оператор - станок. Кроме того, обеспечен выход на связь с ЭВМ высшего уровня, ведение адаптивного управления от соответствующих датчиков и устройств контроля размеров деталей на станке, управление пристаночной транспортной системой и т.д.
В технологических комплексах из станков с ЧПУ возникают простои оборудования объективного характера, обусловленные главным образом переналадкой оборудования с ЧПУ, что приводит к увеличению незавершенного производства. Поэтому рекомендуется ряд мероприятий для повышения эффективности использования таких комплексов в составе производственных цехов и участков.
Повышение доли машинного времени в балансе фонда времени работы станков осуществляется путем сокращения простоев на переналадку, устранение потерь времени на установку заготовки и снятие детали, на замену изношенного инструмента и т.д.
При обработке на станках с ЧПУ малых партий заготовок коэффициент использования времени работы по управляющей программе в среднем составляет около 0,6. Объединение станков с ЧПУ в комплексы с автоматизированной транспортной системой спутников позволяет увеличить этот коэффициент на 10 - 20 %, с автоматизированным обеспечением инструментом - на 40 - 70 %, а комплексная автоматизация всех транспортных операций приводит к двукратному (и более) увеличению использования времени работы по управляющей программе при изготовлении деталей малыми партиями. При большей партии заготовок достигается увеличение коэффициента времени работы по управляющей программе при условии комплексной автоматизации транспортных операций.
Повышение коэффициента сменности при объединении станков с ЧПУ в технологические комплексы достигается благодаря много
станочному обслуживанию, а также выполнению основных подготовительных работ в первую смену (смена инструмента, наладка станка, обработка первой заготовки из партии) и возможности работы во вторую и третью смены с небольшим числом операторов. При введении автоматизированной смены инструмента можно поднять коэффициент сменности в малолюдном режиме до двух, а при автоматизированной загрузке (выгрузке) деталей и комплексной автоматизации всех транспортных работ - до двух-трех.
Уменьшение оборотных средств при объединении станков в технологические комплексы происходит вследствие сокращения производственного цикла, что ведет к уменьшению незавершенного производства.
При изготовлении деталей малыми партиями допускается увеличение стоимости технологических комплексов относительно автономных станков с ЧПУ в 1,5 (при двухсменной работе) и даже в 2,5 (при трехсменной работе) раза за счет применения высокоавтоматизированного оборудования, автоматизации подготовки управляющих программ и др.
Уменьшение числа основных рабочих, особенно высокой квалификации, достигается при объединении станков с ЧПУ в технологические комплексы, благодаря переходу к многостаночному обслуживанию, а в перспективе, по мере роста надежности - к работе в малолюдном режиме с ограниченным числом рабочих во второй и третьей сменах.
По мере совершенствования станков с ЧПУ и образования на их основе автоматизированных комплексов функции оператора все в большей степени передаются машинам и обеспечиваются условия для реализации «безлюдной» технологии механической обработки (рис. 1.4). Рост производительности Труда станочника (рабочего-оператора, рабочего-наладчика) в интервале АВ осуществляется главным образом благодаря совершенствова-
^4/7/7 •ч
£
1(л7/7
Г
g 200
ч»
§
§ 100
о
1900	1970	1980	1990 Годы
Рис. 1.4. Рост производительности труда рабочего по мере совершенствования станков с ЧПУ и создания технологических комплексов с различным уровнем автоматизации (за 100% взят станок с ЧПУ первого поколения):
1 - комплексы станков с автоматизированной транспортно-складской системой (АТС), системой инструментального обеспечения (СИО) и позицией контроля; 2 - комплексы станков с АТС; 3 - станки с ЧПУ второго поколения; 4 - станки с ЧПУ первого поколения; 5 - группы станков с ЧПУ и управлением от единой ЭВМ; 6 - станки многоцелевые с магазинами инструментов; 7 - ГПМ со сменными спутниками; 8 - многошпиндельные станки со сменными головками; 9 - агрегатные станки с ЧПУ
нию систем управления станков (ЧПУ), в интервале ВС - путем автоматизации вспомогательных функций для возможности многостаночного обслуживания благодаря переходу к гибким производственным модулям (ГПМ) (магазин инструментов и устройство автоматической смены спутников с заготовками). В интервале CD рост производительности труда достигается за счет повышения коэффициента загрузки станков с ЧПУ благодаря объединению их в комплексы, включающие автоматизированные транспортные системы (АТС) спутников, системы инструментального обеспечения (СИО) и контроль качества в процессе изготовления деталей или на специальных позициях.
Гибкие производственные системы (ГПС). Создание ГПС определено новыми принципами организации машиностроительного производства и преследует две основные цели: повышение мобильности машиностроительного производства при переходе на новый вид продукции, что в итоге приводит к резкому повышению его эффективности в условиях рыночной экономики; повышение производительности труда, стабилизация качества продукции и снижение себестоимости продукции при устойчивой номенклатуре выпускаемых изделий.
Методика оценки уровней автоматизации ГПС основана на рассмотрении выполнения отдельных функций в автоматическом режиме:
1-й - автоматизированная переналадка при изготовлении освоенных деталей;
2-й - автоматическая переналадка при изготовлении освоенных деталей;
3-й - автоматизированная переналадка при переходе на изготовление новых деталей.
В табл. 1.5 приведены сведения о функциях ГПС, имеющих различный уровень автоматизации.
Техническое развитие ГПС. По состоянию на 1990 г. в мире, по различным оценкам, действовало 700-1000 ГПС, а по прогнозам, к 2000 г. до 15-20% годового объема выпускаемых в мире станков будут объединены в ГПС, а их общий выпуск достигнет 14 тыс. Однако следует отметить, что эти временные прогнозы количественного развития ГПС не оправдались. Из общего числа этих ГПС только четверть предназначены для изготовления деталей типа тел вращения, а остальные - для изготовления призматических деталей.
Анализ состава технологического оборудования ГПС показал, что 50% общего числа входящих в них станков - это многоцелевые, а 50% -обычные станки с ЧПУ, модернизированные для работы в составе ГПС. Существуют ГПС, в которых многоцелевые станки сочетаются с агрегатными, имеющими магазин шпиндельных коробок или сменные шпиндельные коробки, а также имеющие в своем составе некоторое число станков с ручным управлением.
85% ГПС функционируют в крупносерийном, а остальные - в средне-и мелкосерийном производстве.
Применение ГПС обеспечивает следующие усредненные эксплуатационно-экономические показатели: увеличение полезного (оперативного) времени работы на 60% по сравнению с временем фактического использования универсального оборудования с ручным управлением (при двух
сменной работе); экономию затрат на рабочую силу на 30%; сокращение незавершенного производства на 50%.
1.5. Степень автоматизации функций, выполняемых в ГПС
Функции, выполняемые в автоматическом режиме	Уровни автоматизации		
	1-й	2-й	3-й
Накопление материалов, заготовок и изделий (на складе)	+	+	+
Накопление оснастки, инструмента	+	+	+
Транспортирование материалов, заготовок и изделий по маршруту: склад - рабочее место - рабочее место - склад	+	+ •	+
Транспортирование оснастки и инструмента по маршруту: склад - рабочее место - склад	+	+	+
Управление технологическими процессами	+	+	+
Управление производственными процессами (планирование, диспетчирование и т.д.)	(+)	(+)	(+)
Защита от аварийных ситуаций	+	+	+
Смена управляющих программ	(+)	+	+
Загрузка-разгрузка материалов, заготовок и изделий	-	+	+
Подача вспомогательных материалов к рабочим местам	-	+	+
Удаление отходов производства от рабочих мест	-	+	+
Установка и закрепление заготовок в приспособлсниях-спугниках	-	-	(+)
Контроль качества изготовления	-	(+)	+
Технологическая подготовка производства	-	-	(+)
Проектирование изделий	-	-	(+)
Примечания:
1) знак «+» означает автоматическое выполнение функции, «-» - неавтоматическое, «(+)» - автоматизированное;
2) уровень автоматизации выбирают в зависимости от технико-экономической целесообразности;
3) при определении уровня автоматизации ГПС различных видов обработки допускается учитывать только присущие им функции, обоснованные в техническом задании на ГПС.
Изменяются принципы использования ГПС. В 60-70-х гг. ГПС строились в основном по специализированному (операционному) принципу: ГПС для изготовления только деталей типа тел вращения или корпусных деталей. В 80-90-х гг. ряд ГПС строились по комбинированному или предметному принципу: для изготовления деталей типа тел вращения, корпусных и плоских, включая выполнение отдельных сборочных операций, в первую очередь, на автоматизированных заводах.
Технический уровень основных решений, принятых при создании ГПС, позволяет выделить три поколения:
1-е — ГПС изготовления 60-х — начала 70-х гг.: автоматизированы подготовка управляющих программ, планирование и учет загрузки отдельного оборудования, управление оборудованием, хранение и транспортирование заготовок, деталей, инструмента, оснастки, стружки, окончательный контроль и частично автоматизированы загрузка, базирование, закрепление заготовок и разгрузка деталей;
2-е - ГПС изготовления конца 70-х - начала 80-х гг., в том числе крупномасштабные системы (макси-ГПС) типа гибких автоматизированных цехов (ГАЦ), для которых характерны применение адаптивных ГПМ, автоматизация установки и базирования сложных деталей, текущий контроль состояния обработки, включая контроль точности, удаление стружки с заготовки и из зоны обработки, применение автоматических систем
управления и транспортно-накопительных систем, технологическая подготовка производства, планирование работы систем;
3-е - интегрированные ГПС изготовления середины 80-х - начала 90-х гг., характеризующиеся высокой степенью автоматизации, комплексностью и завершенностью технологического процесса обработки, включая предварительные (заготовительные), финишные и сборочные операции, с автоматической идентификацией инструментов, оснастки, заготовок и деталей, вызовом или формированием управляющих программ и технологическим оснащением, т.е. автоматическим переходом на изготовление деталей другого типоразмера или наименования, использованием систем автоматизированного проектирования и подготовки производства, систем автоматизации управленческой, финансово-сбытовой и других видов деятельности.
Прогнозируются следующие тенденции технического развития ГПС на период до 2000 г.:
создание и развитие мини-ГПС для небольших фирм и фрагментов крупных производств - автоматических или автоматизированных ячеек из двух-трех станков, оснащенных общими ЭВМ, промышленными роботами, накопителем заготовок, полуфабрикатов и деталей, предназначенных для осуществления ограниченного числа наиболее распространенных операций механической обработки. Эффективная загрузка мини-ГПС гарантируется их технологической специализацией, необходимой для конкретных предприятий (ГПС изготовляются по заказам серийно);
создание и развитие ГПС для крупных автоматических или автоматизированных систем, т.е. автономных производственных подразделений, работающих с минимальным участием человека в производственном процессе; они являются уникальными изделиями, их создание осуществляется по специальным заказам промышленных предприятий;
повышение степени технологической интеграции (комплексности обработки), т.е. осуществление в автоматическом режиме полного технологического маршрута, начиная от предварительной обработки заготовок до финишных операций, включая неметаллорежущие - очистку, мойку, сушку, измерение, обработку ТВЧ, нанесение рифлений, маркировку, сборку и т.д.;
повышение степени автоматизации оборудования ГПС, в том числе автоматизация переналадки с идентификацией заготовки и детали, автоматическая диагностика и самовосстановление узлов и подсистем;
создание и внедрение в ГПС новых технологий, в том числе комбинированных, а также лазерной технологии, для обработки, контроля и управления; усовершенствованной технологии обработки оптических изображений и т.д.
В литературе приведено мало сведений о стоимостных характеристиках ГПС и фактической эффективности в реальных производственных условиях. Обычно это сведения о достигнутом производственном успехе и не сообщается при этом реальная сумма затрат: не учитываются расходы на выполнение проекта, организацию обучения, контроль за выполнением проектных работ по объему, срокам и стоимости, а также расходы на пусконаладочные работы, которые вместе с проектированием могут составлять до 30% стоимости ГПС. На монтаж и внедрение ГПС, как правило, затрачивается больше средств и времени, чем запланировано обычно. За-
траты времени на эти работы примерно в 3 раза больше, чем на пуск традиционного оборудования. Проектирование и внедрение ГПС продолжается 2 - 5 лет.
Стационарные автоматические линии. Автоматические линии (АЛ) предназначены для автоматизации массового и крупносерийного производства в отраслях промышленности с установившимся характером выпуска продукции. В массовом производстве изготовляется примерно 20-25% общего выпуска продукции машиностроения.
Высокая эффективность АЛ по сравнению с эффективностью неавтоматизированного массового производства достигается благодаря более высокой производительности труда, меньшей себестоимости изготовления единицы продукции, меньшему количеству обслуживающего персонала на заданную программу выпуска, стабильности и улучшению качества обработки, ритмичности выпуска продукции, возможности внедрения современных способов организации производства и обслуживания оборудования.
В практике машиностроительных заводов АЛ эксплуатируют в составе действующих цехов неавтоматизированного производства или в составе систем АЛ, автоматических цехов и заводов. Так, в механосборочном производстве Волжского автомобильного завода (изготовление двигателей и шасси) для выпуска 660 тыс. комплектов автомобильных деталей в год было задействовано 3500 единиц основного металлорежущего оборудования и 43% этого оборудования включено в 195 АЛ. При реконструкции завода число АЛ было увеличено до 280.
Продукция линии используется в качестве полуфабриката для других производств завода или является его готовой продукцией.
На АЛ планируют подетальный выпуск продукции за смену или сутки. Работа различных АЛ и отдельных станков-автоматов, техническое обслуживание и ремонт должны быть синхронизированы во времени так, чтобы обеспечивать подачу на сборку деталекомплектов, необходимых для сборочных единиц.
Внедрение комплексных АЛ позволяет существенно сократить незавершенное производство, выполнение тяжелых физических работ по межоперационному транспортированию и загрузочно-разгрузочным операциям, снизить затраты на производство изделия. Комплексность обработки на АЛ характеризует коэффициент
К = ^100%, q
где q\ - число операций технологического процесса, выполняемых на линии (системе линий); q - число операций, необходимое для полного изготовления изделия.
Для повышения коэффициента К постоянно увеличивают число встроенных в АЛ термических, сборочных и упаковочных агрегатов, моечных машин, агрегатов для химических покрытий, кузнечно-прессового оборудования для рубки и выдавливания и др. Это оборудование при встраивании в АЛ соединяют транспортными и загрузочно-разгрузочными устройствами.
Существуют АЛ, которые могут переналаживаться в пределах заданной при проектировании номенклатуры обрабатываемых деталей, а также
при изменении производства. Процесс переналадки АЛ включает замену или перестановку инструмента, зажимных приспособлений и других устройств, например загрузочно-разгрузочных и транспортных, а также регулирование элементов системы управления. Иногда переналадка заключается во включении-отключении отдельных станков или позиций линии.
В процессе эксплуатации АЛ может появиться необходимость изготовления детали, конструкция которой на стадии проектирования обрабатывающего оборудования была неизвестна. В этом случае необходимо создание гибких автоматических линий (ГАЛ).
Основными потребителями АЛ на ближайшее десятилетие останутся автомобильная промышленность, общее машиностроение, в которые будет направлено 75% станочных линий, а также производство бытовой техники.
Проектирование большого числа АЛ невозможно без внедрения системы автоматического проектирования и расчетов (САПР), что по экспортным оценкам позволит сократить трудоемкость этих работ на 20-30%, повысить технический уровень создаваемого оборудования и сократить сроки проектирования.
Основные направления технического развития АЛ на ближайшие годы следующие:
увеличение выпуска продукции каждой единицей оборудования, сокращение занимаемой площади при выполнении заданного объема выпуска и уменьшение численности обслуживающего персонала;
повышение комплексности обработки с включением полного объема операций подготовки (создание базовых поверхностей, правка заготовок и т.п.) неметаллорежущих, контрольных, сборочных, упаковочных; сокращение ручного труда при обслуживании АЛ;
повышение качества продукции и сохранение его стабильности во времени;
создание ГАЛ, обеспечивающих высокую производительность в условиях периодического обновления продукции;
широкое внедрение в конструкции АЛ устройств контроля и диагностики состояния режущего инструмента и ответственных узлов станков.
Создание ГАЛ обеспечивает повышение эффективности механообрабатывающего производства на автомобильных, тракторных и других заводах при модернизации продукции или переходе на выпуск нового изделия. Так, например, для запуска в производство автомобиля ВАЗ-2108 потребовалось изготовить 20 тыс. новых позиций инструмента и оснастки, 2450 единиц технологического оборудования. Эффективная реализация таких задач возможна другим путем: вместо традиционных АЛ внедряют ГАЛ или отдельное оборудование с управлением от программируемых коман-доаппаратов (ПК) или (и) систем ЧПУ. Реализация ГАЛ требует создания нового технологического оборудования, транспортных систем, использования ПР и других технических средств.
Гибкость ГАЛ для изготовления корпусных деталей обеспечивают специальные позиции, число которых определяется конструкцией изготовляемых деталей и функциональным назначением АЛ для многономенклатурной обработки. На этих позициях используют функциональные узлы: силовые узлы, в том числе с устройствами смены инструментов, регулируемыми элементами транспортной системы и зажимными устройствами
приспособлений-спутников. Управление ГАЛ осуществляется от ПК. Н: отдельных позициях, которые должны обладать гибкостью, применяю' управление от ЧПУ по одной-трем координатам. В этом случае применяю' одношпиндельные силовые узлы с управлением от ЧПУ по трем координа там со встроенными инструментальными магазинами.
Технологический процесс изготовления корпусных деталей в АЛ и н; ГАЛ имеет следующие особенности:
применение крестовых столов для переустановки инструмента npi предварительной обработке двух расположенных рядом отверстий в де тали;
повышение концентрации операций благодаря многосторонней обра ботке на одной позиции вместо обработки на нескольких позициях (на ря де ГАЛ заготовка выносится с основного конвейера на боковую позиции для ее трехсторонней обработки, причем в этом случае обработка осущест вляется не на двух последовательных позициях, а на одной с трех сторон) контрольные операции выполняют на позиции обработки, а для измерение деталь поворачивается, или измерение детали осуществляется с противо положной стороны без поворота;
выполнение ряда специфических операций на позициях с использова нием силовых узлов с ЧПУ (ощупывание заготовок измерительным датчи ком для определения фактического припуска, обработка с изменением по дачи в процессе резания, например, при входе сверла в обрабатываемук заготовку и выходе из нее, фрезерование по контуру отдельных участков i т.д.).
ГАЛ для изготовления корпусных деталей включает существеннс меньшее число станков благодаря использованию многофункциональны? узлов со сменными многошпиндельными головками и станочных при способлений, переналаживаемых с помощью обрабатывающей системь станка.
При обеспечении гибкости важнейшим исходным положением явля ется знание об изменении конструкции детали, подлежащей обработке. Е подавляющем большинстве случаев создается «синтетическая» деталь, со четающая все свойства новых деталей, которые будут в дальнейшем изготовляться на этой ГАЛ. Поэтому конструктор, проектирующий трактор автомобиль или другую машину, должен прогнозировать тенденции изменения их деталей, подлежащих дальнейшему изготовлению на ГАЛ. Эте информация должна быть использована при составлении заявки на оборудование ГАЛ.
ГАЛ для изготовления деталей типа тел вращения создают, используя станки практически всех технологических групп - токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные и др. В них устанавливают параллельно, работающее взаимозаменяемое оборудование. Каждый из параллельно работающих станков, выполняющих одинаковые операции может обеспечить после короткой переналадки изготовление любых закрепленных за ГАЛ деталей.
Технологический процесс изготовления деталей типа тел вращения не ГАЛ отличается от технологического процесса изготовления таких деталек на АЛ следующим:
повышенной точностью и стабильностью параметров деталей за счел обработки на станках с ЧПУ. Так, у партии деталей, изготовляемых на то-эл
карных станках, обеспечивается колебание размеров не более 25 мкм при диаметре примерно 50 мм; при обработке зубьев обеспечивается 5-я степень точности вместо 7-й, получаемой на станках с традиционной системой управления;
обработкой на каждом переходе операционного процесса на оптимальных режимах благодаря применению управляющей программы, позволяющей регулировать технологические параметры по информации, получаемой от соответствующих датчиков, в зависимости от свойств заготовки и инструмента;
отказом от чернового шлифования вследствие повышения точности обработки на токарных операциях;
использованием систем ЧПУ для управления правкой шлифовальных кругов, в том числе профильных, что обеспечивает точность обработки до h6 в продольном сечении при переналадке на изготовление других деталей;
стабилизацией точности обработки партии деталей благодаря применению станков с ЧПУ, что позволяет отказаться от 100-процентного контроля деталей, а даст возможность проводить только выборочный контроль.
ГАЛ для изготовления деталей типа тел вращения рассчитаны на обработку деталей одного-двух типов с большим числом типоразмеров и с возможностью перехода на изготовление других, аналогичных по конструкции деталей.
Автоматические роторные (АРЛ) и роторноконвейерные (АРКЛ) линии являются особой формой автоматизации технологических процессов, так как на таких автоматизированных комплексах межмашинное и внутримашинное транспортирование потока заготовок, в том числе обработка, осуществляются непрерывно, с постоянной скоростью. У таких линий производительность по сравнению с производительностью отдельного автоматического оборудования выше в 3-6 раз. трудоемкость изготовления изделий ниже в 2-4 раза, занимаемые площади меньше в 3-10 раз, а производственный цикл изготовления продукции - е 10-20 раз.
При переходе к комплексной автоматизации технологических процессов на базе АРЛ выбирают в первую очередь высоконадежные с технологической точки зрения процессы (без снятия стружки, обеспечивающие стабильные геометрические размеры и физико-химические свойства и т.д.).
АРЛ для механической обработки имеют как достоинства, так и недостатки. К достоинствам относятся высокая производительность, обеспечивающая получение до 3 млн деталей в год с одного технологическогс потока, компактность, сокращение площадей, занимаемых роторной машиной (РМ) по сравнению с традиционным станочным оборудованием.
Недостатки этих АРЛ следующие:
малая жесткость шпиндельных блоков и, как следствие, невысокая точность линейных размеров, что ограничивает точность получаемых стальных и чугунных деталей - не выше ШО (4-й класс точности) (при изготовлении алюминиевых деталей с малым припуском точность обработки может быть выше);
кинематические и конструктивные особенности автоматов, не позволяющие вести изготовление деталей с припуском более 2 мм, так как име-
о 1
ются определенные трудности со стружкоудалением. Наличие стружки приводит к поломкам инструмента и оборудования, поэтому эксплуатация таких станков ведется с обязательным участием рабочего;
наличие в роторных станках централизованного привода и электропитания, кулачков и копиров вызывает значительные трудности при переналадке оборудования, что не позволяет пока создать легкопереналаживае-мые АРЛ механической обработки;
сложность контроля состояния инструмента;
высокая производительность РМ обеспечивает заданную программу выпуска одной машиной, при этом поломка этой РМ (АРЛ) вызывает остановку смежного оборудования и всей технологической цепочки.
Первые АРЛ механической обработки были построены по сблокированной схеме и имели коэффициент технического использования Кти = 0,3...0,4. В дальнейшем перешли на создание несблокированных АРЛ, что позволило поднять Кти до 0,7...0,8. При эксплуатации оборудования отдельные роторные машины в составе комплексных АЛ механической обработки достигают Кт и до 0,9.
Наиболее рационально применять АРЛ при изготовлении мелких штампованных деталей типа тел вращения, деталей из пластмасс, деталей, полученных прессованием и спеканием, из стекла, резины, керамики, отдельных деталей, полученных обработкой резанием. Столь же целесообразно создавать АРЛ для выполнения сборочных операций (монтаж, запрессовка, упаковка, заливка, свертывание мелких деталей типа тел вращения), упаковки готовых изделий в тару и расфасовки сыпучих и жидких материалов, выполнения термических и термохимических операций (нагрев, отжиг, травление, закалка, сушка, промывка, обезжиривание, фосфатирование, нанесение гальванопокрытий и т.д.), а также различных видов контрольных операций по измерению размеров и физико-химических параметров отдельных деталей и собранных изделий в условиях сверхмассового производства.
Накопленный при изготовлении специальных изделий опыт комплексной автоматизации разнохарактерных операций в составе АРЛ возможно перенести в другие виды производства, в том числе в производство сильфонов, деталей подшипников качения, клапанов, аэрозольных установок, втулочно-роликовых цепей и т.д.
В ближайшие годы АРЛ и АРКЛ найдут применение при массовом изготовлении деталей:
методом обработки давлением (выдавливание, штамповка, вытяжка, обжим, пробивка и т.д.);
с применением обработки резанием (преимущественно деталей типа тел вращения с точностью до 4-го класса);
из различных видов полимерных композиционных материалов, резины, керамики, металлопорошка;
из металлов методом литья в кокиль, в оболочковые формы, под давлением и т.д.;
требующих термической и химической обработки (отжиг и закалка, травление, фосфатирование, обезжиривание и т.д.);
требующих нанесения защитных покрытий, лакирования, окраски и т.д.;
требующих комплексного контроля линейных размеров, внутренних и поверхностных дефектов, массы и т.п.;
требующих сборки и упаковки;
требующих использования разнохарактерных технологических операций.
Для перечисленных производственных задач, как правило, характерно изготовление одного вида изделий, при котором требуемая производительность является достаточной для обеспечения окупаемости линии.
Новые перспективные конструкторские решения позволяют на АРЛ и АРКЛ одновременно изготовлять детали различной номенклатуры, близкие по габаритным размерам.
1.4. Перспективы развития автоматизированных заводов будущего
Промышленно развитые страны реализуют большие программы по изучению, разработке и опытному созданию комплексных автоматизированных гибких компьютеризированных производств, конкретно автоматизированных заводов (АЗ) для условий серийного производства с постоянным изменением выпуска конкурентоспособной продукции. Эти программы, как правило, осуществляются правительством, университетами и промышленностью и являются перспективными национальными программами.
Согласно прогнозам ученых, полностью автоматизированные заводы для производства машиностроительной продукции, управляемые от ЭВМ, будут созданы уже к концу XX века. Переход на изготовление нового вида изделий (автомобиль, трактор, холодильник и т.д.) на этих АЗ должен пройти следующие этапы:
I- подготовка производства на основе маркетинга продукции;
II	- опытное производство, изготовление первых образцов изделий (общий выпуск до 50 шт.), необходимых для проведения исследовательских работ и отработки конструкторской и технологической документации для опытно-промышленного производства;
III	- опытно-промышленное производство, одновременное или последовательное изготовление изделий партиями (общий выпуск 1000-10000 шт./год). Это количество изделий необходимо для испытаний в производственных условиях и доработки по их результатам конструкторской и ехнологической документации для установившегося производства;
IV	- установившееся производство, выпуск изделий в год по конструкторской и технологической документации, отработанной на момент пуска. Установившееся производство может быть одно- или многономенклатурным. Во втором случае осуществляется групповое изготовление на ГАУ, ГАЛ, АЛ или другом оборудовании изделий, заранее известных и аналогичных по обрабатываемым поверхностям и технологическому процессу. Изготовление изделий может осуществляться последовательно, па-аллельно или параллельно-последовательно при различном уровне автоматизации переналадки оборудования;
V	- изготовление запасных деталей. Это производство сохраняется как во время выпуска изделия, так и после его окончания, однако число их постепенно уменьшается. Для изготовления запасных частей в зависимости от потребностей используют оборудование, применявшееся ранее в условиях опытного, опытно-промышленного или установившегося производства.
Для каждого этапа производственного цикла выпуска нового изделия в АЗ необходимо создать свой тип высокопроизводительного гибкого оборудования.
Организация производства нового изделия строится так, чтобы между отдельными этапами этого процесса была взаимосвязь, прежде всего в подготовке производства и отработке технологического процесса, в том числе управляющих программ, конструкций оборудования, инструментов, транспортных средств и других компонентов АЗ. Фактически на каждом этапе подготовки производства нового изделия проводятся свои научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР).
Подготовка производства на АЗ заключается в изучении рынков сбыта и приспособлении производства к их требованиям, активному воздействию на рыночные процессы потребителей с целью увеличения сбыта и получения прибыли. В рамках подготовки производства выполняются НИР и ОКР по созданию новой продукции, отработки надежных технологических процессов, обеспечивающих стабильное качество продукции, организуются конкурентоспособные производства, необходимый сервис, а также оптимальные системы стимулирования сбыта и продвижения продукции на рынок.
Опытное производство АЗ для выпуска нового изделия. Технологичность конструкций изготовляемых деталей не отработана. Номенклатура деталей, закрепленная за каждым станком или гибким производственным модулем (ГПМ), достаточно широка, так за многоцелевым станком закрепляется до 100 наименований корпусных деталей. Распространенный размер партии деталей, изготовленных по одной программе, 3-15 шт., повторяемость партии - до 5 раз в год. ГПМ эффективны при годовом выпуске любого из 40-800 типоразмеров деталей, равном 20-500 шт.
Оборудование для такого производства максимально универсально, прежде всего это оборудование с ЧПУ. Опыт ряда заводов показал, что принцип разделения операций в рассматриваемом случае не полностью пригоден. С учетом большого припуска на заготовках черновую и чистовую обработку эффективно выполнять на интегрированном оборудовании - многоцелевых станках с ЧПУ и ГПМ. Совмещение операций на одном станке в сравнении с действующим производством на базе нескольких станков с ручным управлением дает ряд преимуществ: сокращение рабочего цикла и затрат на оснастку; высвобождение значительного количества оборудования и сокращение численности обслуживающего персонала, повышение качества обработки. Улучшение технологичности конструкции изготовляемых деталей обеспечивается уже на этапе опытного производства. В условиях такого производства механообрабатывающее оборудование может быть объединено в ГАУ, в том числе на базе РТК. Возможно использовать и отдельные станки с ЧПУ, не связывая их общими транспортной системой и системой управления. Выбор решения зависит от состояния технических средств, обеспечивающих работу оборудования в мелкосерийном производстве.
В условиях опытного производства находит применение комплексная автоматизированная система проектирование - изготовление, при которой на производственном уровне интегрированы функции автоматизированных проектирования, производства и управления.
ЭЛ
Для условий опытно-промышленного производства АЗ оборудование должно отвечать требованиям серийного производства и обеспечивать изготовление деталей при постоянном числе партий и деталей в партии, а также при переменных маршрутах технологического процесса. В этом случае номенклатура деталей и партии их запуска известны. Однако условия рынка и испытания продукции АЗ могут быть такими, что возникает необходимость в конструктивной доработке, а следовательно, изменения технологических процессов изготовления, изменения последовательности технологических операций, существенного сокращения номенклатуры деталей (до 20 наименований), закрепленных за отдельным станком. Применение ГПС целесообразно, если в течение года каждый из 5-100 типоразмеров (наименований) деталей надо изготовить партии общим числом 50-2000 шт. Однако общее число деталей, необходимых для изготовления, например автомобиля, может достигать сотен наименований (при этом часть их может поступать по кооперации). Опытно-промышленное производство АЗ реализуется на ГПМ и ГАУ. Такие участки должны создаваться путем сочетания многоцелевых станков и станков для одновременной многосторонней и многоинструментной обработки, объединенных гибкой транспортной системой и единой системой управления на базе ЭВМ.
В условиях серийного производства внедрение САПР (типа CAD/CAM) направлено на автоматизацию конструкторской и технологической подготовки производства, разработки управляющих программ, организации планирования и управления производством АЗ в целом с выходом на уровень ГАУ и др.
Для установившегося производства АЗ могут быть две различные структуры функционирования: массовое (крупносерийное) и изменяющееся серийное производство.
Для АЗ с массовым и крупносерийным производством число партий деталей, размер партии и технологический процесс постоянны. Если номенклатура изготовляемых деталей больше единицы, то оборудование переналаживаемое в заранее заданных пределах. Установившееся производство деталей, как правило, стабильно и строится на базе АЛ, в том числе ГАЛ. Вместе с тем в процессе эксплуатации этого оборудования (8-12 лет) обычно 2-3 раза изменяется выпускаемая продукция, что приводит к необходимости модернизации оборудования.
Модернизация действующего оборудования связана с изготовлением новых или частичной заменой зажимных приспособлений и транспортных устройств, необходимостью нового или существенного изменения набора режущих инструментов, а следовательно, и шпиндельных коробок, изменением средств измерения, системы управления и других элементов АЛ.
Для АЗ с изменяющимся серийным производством при индивидуальных требованиях к продукции (позаказная система) имеются принципиальные отличия от АЗ для выпуска продукции массового производства. Основная информация, необходимая для заказа продукции и поступающая на вход такого завода, - конструкторские идеи и технические требования к продукции с учетом тенденций ее развития на последующие 10-15 лет и требований рынка. На выходе завода необходимо получить продукцию, полностью собранную, проверенную и готовую к использованию в соответствии с производственным назначением, а главное -конкурентоспособную на рынке.
ПС
Проектирование продукции осуществляется по заданию заказчика в режиме диалога оператора с ЭВМ. Оператор выдает концепцию продукции и технические требования к ней, а ЭВМ запоминает, стандартизирует информацию и производит необходимые расчеты. В процессе проектирования ЭВМ может непрерывно запрашивать и учитывать информацию о себестоимости и производительности реального оборудования и процессов производства. Затем ЭВМ, используя эту информацию, определяет оптимальные условия для обеспечения минимальной себестоимости высокого качества и максимальной производительности. Эта же информация используется для производственного планирования в целях оптимизации процесса обработки (путем выбора соответствующего оборудования, технологических процессов, последовательности операций, условий обработки и др.), а также для управления автоматизированными станками и оборудованием.
Указанные станки и оборудование самонастраиваются, автоматически (с помощью роботов или других технических средств) загружаются и разгружаются заготовками (деталями). При переходе на новую операцию выбирают автоматически из магазина инструмент, режимы обработки, средства контроля. На этих станках и оборудовании осуществляются различные операции обработки резанием, лучом лазера и давлением, а также термическая обработка, контроль и сборка. Обратная связь от станков и другого оборудования осуществляется через специальные контуры.
Система непрерывно принимает информацию о реальных характеристиках оборудования и процессов, сравнивает их с «идеальными» - запланированными. Если обнаруживаются отклонения от запланированной программы работ, то система отвергает первоначальный вариант производства и, осуществляя динамическое планирование, регулируя условия работы станков и процессов, добивается, чтобы производство работало в оптимальном режиме. Тем временем станки и оборудование осуществляют самодиагностику. Если при этом обнаруживается возможность отказа какого-либо узла, то принимаются необходимые корректирующие действия, включающие замену вышедшего из строя модуля в системе. Более того, встроенные в станки приборы и контрольные машины автоматически контролируют изделия на всех этапах производства с тем, чтобы любое отклонение от заданных технических требований автоматически корректировалось. Таким образом, окончательно собранное изделие оказывается полностью проверенным и соответствует предъявляемым к нему техническим требованиям.
Таким образом, автоматизированный (автоматический) завод как комплексная производственная система состоит из аппаратных элементов (технологических, транспортных, управляющих, вычислительных и др.) и математического обеспечения, которые включают средства для проектирования продукции, ее изготовления, производственного планирования и контроля. Функционирует завод в три смены, причем во вторую и третью смены с ограниченным персоналом.
На рис. 1.5 в качестве примера приведена принципиальная схема функционирования завода-автомата фирмы Toshiba (Япония) для позаказного серийного производства продукции. На заводе роль связующего звена между технологическим процессом и системой обработки данных выполняют сенсорные датчики: они регистрируют технологические параметры и
производственные данные о состоянии процесса обработки. Общая автоматизация производства и управление производством осуществляется с помощью сети ЭВМ.
Рис. 1.5. Схема функционирования завода-автомата фирмы Toshiba
На рис. 1.6 приведена схема расстановки оборудования на первом и втором этажах из проекта АЗ «Красный пролетарий», создаваемого на Московском станкостроительном заводе «Красный пролетарий» (МСПО). АЗ «Красный пролетарий» предназначен для изготовления токарных станков с ЧПУ, станков с ручным управлением по индивидуальным заказам, а также другой продукции, соответствующей конъюнктуре рынка и по технологическим параметрам, точностным показателям и габаритным размерам удовлетворяющей требованиям производства. Первый этаж представляет собой механосборочное производство, где выделены: общезаводские склады заготовок, полуфабрикатов, готовых деталей, собранных узлов, комплектующих; ГАУ для производства станин, тел вращения, сборки узлов, в том числе нанесения эпоксидного компаунда при монтаже узлов на станке; ГАУ для сборки шпиндельных узлов и др. Специальные участки предназначены для сборки и общего монтажа и испытания станков. В составе производства первого этажа есть термоконстантный участок для сборки станков повышенной точности. Готовая продукция упаковывается. Транспортные потоки между отдельными ГАУ и производственными участками, складами обеспечивается транспортной системой на базе робокар грузоподъемностью 1, 2, 5 и 10 тонн.
Связь первого и второго этажа осуществляется через систему лифтов. На втором этаже расположены участок окраски штампосварных и литых деталей, узлов в сборе. Здесь расположено электромонтажное производство и участок консервации и упаковки. На площадках АЗ расположены технические средства интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ), конторские и другие помещения.
Этаж Н
34-
Рис. 1.6. Схема расположения оборудования и служб из проекта АЗ «Красный пролетарий»
Этаж II: 1 - Служба завода; 2 - диспетчерская АСУ завода; 3 - склад цеха консервации и упаковки; 4 - участок нанесения компаунда; 5 - цех консервации и упаковки продукции; 6 - участок окраски изделия в сборе; 7 - участок окраски литых деталей; 8 - участок окраски штампосварных деталей; 9 - вспомогательные производственные участки; 10 - электромонтажный цех; И - участок входного контроля узлов; 12 - конторские и бытовые помещения. Этаж Г. 13- склад комплектующих изделий и деталей; 14 - склад комплектующих участка узловой сборки; 75 - склад участка сборки и общего монтажа станков; 16 - склад длинномерных изделий; 17 - склад № 2 деталей и заготовок; 18 - участок испытания станков; 19 - участок сборки и общего монтажа станков; 20 - ГАУ обработки тел вращения; 21 - ГАУ обработки станин; 22 - склад № 1 деталей и заготовок; 23 - склад станин; 24 - конторские и бытовые помещения служб завода; 25 - участок сборки электрошкафов; 26 - выходной поток готовой продукции; 27 - участок нанесения эпоксидного компаунда; 28 - лифты грузоподъемностью 20 т между первым и вторым этажами; 29 - выходной поток упакованной продукции; 30 - входной поток готовых деталей, материалов и комплектующих изделий, отправляемых заказчику в качестве комплектации оборудования; 37 - входной поток деталей, материалов, заготовок и комплектующих для изготовления и сборки станков; 32 - промежуточный склад комплектующих изделий и деталей; 33 - входной поток станин, крупногабаритных заготовок и деталей; 34 - ГАУ обработки ответственных деталей шпиндельных узлов; 35 - термоконстантный участок; 36 - участок общего монтажа и испытания станков; 37 - участок распаковки и расконсервации поступающих на завод заготовок и комплектующих; 38 - участок финишной обработки ответственных деталей
по
На рис. 1.7 приведен вариант фрагмента проекта производственного и учебного цеха-полигона АЗ по производству вырубных штампов и пресс-форм, создаваемого на Тверском заводе штампов. Цель создания этого АЗ - не только изготовление продукции в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, но и организация специального учебного центра подготовки кадров для работы в условиях высокоавтоматизированного компьютеризированного производства.
Рис. 1.7. Фрагмент механообрабатывающего производства на АЗ «Тверской завод штампов» (производственный и учебный цех-полигон):
1 - вертикальный накопитель; 2 - подвесной манипулятор; 3, 5, и 8 - транспортный робот для загрузки заготовок на группу станков; 4 - накопитель и загрузочное устройство; 6 - подвесной монорельсовый конвейер; 7 - поворотный робот; 9 - промежуточный магазин;
10 - транспортная тележка-накопитель
На рис. 1.8 приведена типовая укрупненная функциональная схема задач, решаемых интегрированной автоматизированной системой управления (ИАСУ) АЗ, построенной на базе использования вычислительной техники и реализуемой в отечественных проектах.
Программно-аппаратная реализация подсистем ИАСУ базируется на ПЭВМ типа РС/АТ-486 и РС/АТ-386, связанных сегментированной ЛВС на базе моноканала Ethernet (IEEE 802.3). Службы корпуса, производственные участки используют отдельные сегменты сети, развязанные с основной магистралью посредством сетевых мостов (Bridge). Такая архитектура ЛВС учитывает особенности метода доступа CSMA/CD (Ethernet) и позволяет снизить нагрузку на моноканал и повысить производительность ЛВС. Внутри сегментов, имеющих небольшую протяженность (менее 200 м), может использоваться «тонкий» (thin) Ethernet ver. 2. Каждый сегмент имеет собственный файл-сервер для хранения данных, используемых ПЭВМ (рабочими станциями) данного сегмента. Кроме того, рабочие станции сегментов имеют доступ к файл-серверам других сегментов.
Взаимодействие с оборудованием осуществляется путем обмена данными между ПЭВМ и устройствами программного управления по каналам
Рис. 1.8. Укрупненная функциональная схема ИАСУ АЗ:
АСУ ОТ (цеха) - автоматизированная система организационно-технологического управления; АСО ДУ - автоматизированная система оперативно-диспетчерского управления
связи с помощью многоканальных мультиплексоров для ПЭВМ, реализующих интерфейс ИРПС. К ПЭВМ подключаются удаленные терминалы, устанавливаемые в службах и на рабочих местах участков.
Для управления цикловым оборудованием применяются программируемые логические контроллеры (ПЛК), связанные с ЛВС магистралью типа «BitBus», выходящей на одну из ПЭВМ АСУ ПУ.
Прикладное программное обеспечение подсистем ИАСУ разрабатывается на основе систем Clipper-5 и Microsoft-C с библиотекой CodeBase в средах MS-DOS и Windows.
АЗ строится на сочетании прогрессивных техники и технологии производства и управления с качественно новой квалификацией обслуживающего персонала.
В развитых странах мира в основном в опытно-промышленной эксплуатации находятся около 20 АЗ с различным уровнем автоматизации подготовки производства, производственных процессов и процессов управления.
Анализ на концептуальном уровне создания АЗ в отечественной промышленности показал, что его пуск в промышленную эксплуатацию должен обеспечить рост следующих показателей: производительности труда -в 8-10 раз; фондоотдачи - 1,1-1,5 раза; выпуска продукции на единицу производственной площади - 1,5-2,5 раза; степени производственнотехнологической интеграции - 6-8 раз; степени эффективности автоматизации - 3-4 раза; показателей работы основного оборудования - 1,5-2 раза. При этом одновременно происходит сокращение: длительности производственного цикла изготовления продукции для сложных изделий в 2-3 раза, для простых изделий в 8-10 раз; максимального разброса договорного срока поставки продукции в 8-10 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Гибкие автоматизированные линии массового и крупносерийного производства /Б.И. Черпаков, В.В. Земляной, А.Н. Феофанов и др. /Под ред. Б.И. Черпакова. - М.: Высш, шк., 1989. - 112 с.
2.	Гибкие производственные комплексы /Под ред. П.Н. Белянина и В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1984. 384 с.
3.	Б.И. Черпаков, И.В. Брук, Гибкие механообрабатывающие производственные системы /Под ред. Б.И. Черпакова. - М.: Высш, шк., 1989. - 127 с.
4.	Б.И. Черпаков, В.Б. Великович. Робототехнические комплексы /Под ред. Б.И. Черпакова. - М.: Высш, шк., 1989. - 95 с.
5.	Б.И. Черпаков. Опыт и перспективы автоматизации производственных процессов в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1988. - 124 с.
6.	Б.И. Черпаков. Стратегия автоматизации механообрабатывающего машиностроительного производства. - М.: ВНТИЦентр, 1989. - 106 с.
7.	Б.И. Черпаков. Эксплуатация автоматических линий. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 304 с.
Глава 2.
СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ
2.1. Классификация и основные типы станочных систем
В обобщенном виде под станочной системой понимают совокупность технологического (металлорежущего) и вспомогательного (установленного в порядке реализации технологического процесса или произвольно) оборудования, объединенного системой управления, автоматическими механизмами и устройствами для транспортирования заготовок, изделий, разделения и соединения их потоков, накопления заделов, изменения ориентации и удаления отходов, предназначенную для изготовления (сборки) заданной номенклатуры изделий.
Станочные системы широко применяют в различных отраслях машиностроения и приборостроения для механической обработки, термообработки, контроля, мойки, сборки, упаковки и др.
Важнейшие характеристики станочных систем следующие: тип производства, где они применяются; технологическое назначение; тип применяемого технологического оборудования (одно- или многопозиционное; последовательного, параллельного или смешанного действия; с обычными системами управления или с системами числового программного управления и др.); наличие и вид межагрегатной связи.
Станочные системы с различными видами оборудования могут применяться в массовом, крупносерийном, среднесерийном и мелкосерийном производстве. Для данных видов производств (см. рис. 1.2, рис. 2.1) применяют автоматические линии (АЛ) с жесткой связью (в том числе роторные и роторно-конвейерные АЛ), АЛ с промежуточными накопителями, переналаживаемые АЛ, гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), гибкие производственные системы (ГПС) и гибкие производственные ячейки (ГАЯ), построенные на основе гибких производственных модулей (ГПМ).
Рис. 2.1. Классификация станочных систем
з?
По технологическому назначению различают следующие станочные системы: для механической обработки заготовок деталей типа тел вращения; заготовок корпусных деталей, типа плит, фланцев, рычагов и др.; для сборки отдельных узлов и изделий; комплексные, которые обеспечивают выполнение разнообразных технологических процессов (например, заготовительных, механической обработки, термической обработки, сборки, контроля, упаковки и др.).
В зависимости от применяемого технологического оборудования станочные системы подразделяют на системы, состоящие из следующего оборудования (см. рис. 2.1.):
специальных и специализированных автоматизированных станков;
универсальных полуавтоматов и автоматов, агрегатных станков со сменными шпиндельными коробками; с обычными системами управления и с системами числового программного управления (ЧПУ);
многоцелевых станков (обрабатывающие центры).
АЛ могут состоять из традиционных (стационарных) металлорежущих станков (рис. 2.2), роторных (рис. 2.3, а) и роторно-конвейерных автоматов (рис. 2.3, б, в).
На рис. 2.2, а показана схема типовой АЛ для изготовления валов электродвигателей диаметром 27-54 мм и длиной 275-380 мм.
Штучные заготовки укладывают в накопитель 7, откуда они передаются на цепной конвейер 12. Портальный грейферный автооператор 77 берет заготовку с конвейера и устанавливает
а
Рис. 2.2. Схема автоматических линий для изготовления: а - валов электродвигателей; б - корпусных деталей
ее на фрезерно-центровальный станок 2. Одновременно автооператор забирает готовую деталь и укладывает ее на конвейер, после чего механизм 7 очищает ее от стружки и проверяет наличие центровых отверстий. Далее заготовка устанавливается на токарный гидрокопировальный станок 3, затем она проверяется на автоматическом контрольном приборе 4 и передается конвейером в зону загрузки второго токарного станка 5. После обработки на этом станке опять осуществляется контроль детали на приборе 4, после чего на станке 6 на валу фрезеруется шпоночный паз.
После очистки центровых отверстий вала они смазываются с помощью механизма 7. Заключительная операция механической обработки -шлифование на станке 8 шейки на валу для дальнейшей запрессовки пакета ротора.
В конце линии после маркировки вала в устройстве 9 он передается в накопитель 10. Управление АЛ осуществляется с пульта 13.
На рис. 2.2, б показана схема гибкой АЛ фирмы Heckert (Германия) для изготовления картера для грузовых автомобилей в пяти различных исполнениях.
Из загрузочного устройства 1 заготовки поступают во входной накопитель 2, откуда через поворотные устройства 3 и устройство идентификации 4 заготовки подаются на фрезерный станок 5 с горизонтальной унифицированной фрезерной головкой. Зажим заготовки осуществляется в позиции обработки зажимным приспособлением 6.
После обработки заготовка проходит через кантователь 7 и поступает последовательно на фрезерные станки 9 и 10 с горизонтальными одношпиндельными унифицированными фрезерными головками, далее на фрезерные станки 11 и 12 соответственно с двухшпиндельной и одношпиндельной унифицированными вертикальными фрезерными головками. После этого обработка выполняется последовательно еще на двух фрезерных станках 13 и 14 с вертикальными одношпиндельными унифицированными фрезерными головками.
После прохода через позицию 15 удаления стружки, обрабатываемые заготовки поступают в выходной накопитель 16.
В стойке 17 смонтирована гидросистема, а в стойке 18 - система управления. Управление и индикация цикла работы линии осуществляется с пульта 8.
Автоматической роторной линией (АРЛ) называют совокупность нескольких технологических и транспортных роторов, расположенных в технологической последовательности и связанных устройствами межлинейного транспортирования предметов обработки (см. рис. 2.3, а).
АРЛ применяют в основном для кратковременных технологических операций, например, для изготовления из пластических масс мелких деталей типа тел вращения, полученных методом прессования и спекания, керамики, а также путем обработки резанием.
В АРЛ инструментальные блоки перемещаются по окружности и являются неотъемлемой частью роторного автомата линии.
Заготовки, загружаемые устройством ЗУ, проходят через транспортные ТрРь ТрР2, ТрР3 и ТрР4 и рабочие роторы ТРЬ ТР2 и ТР3. При этом рабочие роторы TPi и ТР3 предназначены для выполнения кратковременных, а ТР2 - для более длительных операций (см. рис. 2.3, а}.
гл
Рис. 2.3. Схема компоновки роторных (а) и роторно-конвейерных (б, в) линий
Автоматической роторно-конвейерной линией (АРКЛ) называют комплекс роторно-конвейерных машин, установленных в технологическом последовательности и объединенных системой транспортирования предметов обработки и системой управления (см. рис. 2.3, б, в).
АРКЛ применяют для длительных технологических операций, например, для сборки (монтаж, запрессовка, упаковка, заливка, свертывание мелких деталей), упаковки в тару и расфасовки сыпучих и жидких материалов, для термических и термохимических операций (нагрев, отжиг, травление, закалка, сушка, промывка, обезжиривание, нанесение покрытий).
Схема роторно-конвейерной линии, показанная на рис. 2.3, б, применяется для выполнения технологических операций, значительно разли-
7*
чающихся по времени обработки (короткие - в рабочих роторах TPj и ТР2, а более длительные - в роторно-конвейерной машине РКМ).
Для выполнения длительных операций применяют роторноконвейерную автоматическую линию (см. рис. 2.3, в), включающую две роторно-конвейерные машины PKMi и РКМ2.
Транспортирование заготовок в роторных и роторно-конвейерных АЛ совмещено с обработкой.
Подробнее АЛ из рассмотренных выше групп технологического оборудования рассмотрены в гл. 6.
По виду межагрегатной связи и получаемой при этом структуре построения станочных систем и, как следствие, возможной номенклатуре изготовляемых изделий (гибкости) станочные системы можно подразделить на две группы (см. рис. 2.1):
АЛ, в которых технологическое оборудование установлено в порядке следования технологического процесса и может иметь как жесткую, так и гибкую межагрегатную связь;
гибкие производственные системы (в том числе гибкие производственные ячейки), в которых технологическое оборудование устанавливается произвольно. Обработка на них может проводиться параллельно или последовательно одновременно одинаковых или разных заготовок. Это обеспечивает высокий уровень гибкости данных систем при достаточно высокой производительности.
В АЛ с жесткой межагрегатной связью технологическое оборудование (специальное или специализированное) с помощью транспортных средств (конвейеров, манипуляторов) блокируется в единое целое и работает в едином ритме, осуществляя синхронную обработку заготовок.
Обрабатываемые заготовки в этих АЛ передаются непосредственно от одного станка к другому, не поступая в магазины или бункеры-накопители. Станки объединены жестким транспортом и могут образовывать прямоточную (неветвящуюся) линию (рис. 2.4, я, б) или отдельные секции линии с ветвящимися потоками (рис. 2.4, в).
АЛ со сквозным транспортом являются наиболее простыми и получили широкое применение. В этом случае применяемые в линии станки должны быть приспособлены для такого транспорта. Когда конструкции станков, входящих в линию, не позволяют осуществить сквозное транспортирование обрабатываемых заготовок, проектируют АЛ с несквозным (верхним, напольным, подпольным, фронтальным) транспортом.
Недостаток этого способа транспортирования - его сложность и необходимость иметь у каждого станка загрузочно-ориентирующее устройство. Общий недостаток АЛ с жесткой межагрегатной связью - то, что при отказе любого конструктивного элемента данной АЛ происходит отказ и простой всей АЛ. Такие АЛ применяют в массовом и крупносерийном производстве при стабильном выпуске отдельных деталей.
АЛ с гибкой межагрегатной связью могут быть трех типов (см. рис. 2.1): с промежуточными накопителями; переналаживаемые; гибкие.
Рис. 2.4. Типовые схемы автоматических линий:
а - с синхронным потоком заготовок и сквозным транспортом (конвейер, толкатели); б — с синхронным потоком деталей и выносным транспортом (конвейер, промышленные роботы, манипуляторы); в - с синхронным ветвящимся потоком деталей; г -с несинхронным потоком заготовок и накопителями у каждого станка; д - с несинхронным потоком
заготовок и накопителем в середине линии
о
г
д
АЛ с промежуточными накопителями - это АЛ с несинхронными потоками обрабатываемых заготовок, в которых между каждой парой (или большим числом станков) предусмотрен автоматический накопитель заделов обрабатываемых заготовок (рис. 2.4, г, д и рис. 2.5).
Накопители обрабатываемых заготовок могут быть: проходными, когда каждая заготовка проходит весь путь внутри накопителя и занимает без приоритета очередь на обработку; обходными, когда заготовка имеет приоритет и непосредственно передается на обработку к соседнему станку, а заготовки из накопителя поступают на обработку только при отказе предыдущего станка; тупиковыми, когда заготовки пополняют запас накопителя и заготовка, поступающая на позицию обработки соседнего станка, приоритета не имеет.
Рис. 2.5. Схема компоновки автоматических линий с лотками-распределителями для изготовления карданных подшипников:
/ - вибробункер; 2 - подъемник; 3 - лоток-распределитель; 4 - отсекатель; 5 - станок
Наличие промежуточных накопителей позволяет повысить надежность работы АЛ. При отказе отдельных конструктивных элементов линии вся линия останавливаться не будет, а будут останавливаться только те станки, которые расположены между накопителями. Другие станки будут вести обработку заготовок, поступающих из накопителя.
АЛ с несинхронными потоками заготовок могут быть построены по принципу прямоточное™ или с ветвящимися потоками, со сквозным и несквозным видами транспорта, с применением спутников и без них.
АЛ выполняют как комбинацию отдельных участков с синхронными и несинхронными потоками заготовок. Например, в комплексной АЛ вначале, на заготовительном участке, может быть использовано технологическое оборудование с несинхронными неветвящимися, несквозными, бес-спутниковыми потоками. В дальнейшем, на участке механической обработки, образуется синхронный ветвящийся поток, со сквозным транспортом и приспособлениями-спутниками. В конце АЛ, на упаковке, снова может быть несинхронный, ветвящийся, сквозной, бесспутниковый поток.
АЛ с промежуточными накопителями строят на основе специализированных и универсальных полуавтоматов, автоматов и агрегатных станков. Применяют их в массовом и крупносерийном производстве, как правило, при стабильном выпуске отдельных деталей.
Переналаживаемой автоматической линией называют линию, в которой технологическое и транспортное оборудование за счет ограниченной во времени и трудоемкости регулировки или замены элементов технологической оснастки, автоматического транспорта и загрузочно-разгрузочных устройств позволяет осуществить обработку заготовок другого наименования заранее установленного диапазона размеров. Такие АЛ строят на основе универсальных полуавтоматов, автоматов и агрегатных станков и применяют в условиях массового и крупносерийного переналаживаемого производства.
Гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), как и ранее рассмотренные АЛ, имеют технологическое оборудование, расположенное в принятой последовательности выполнения технологического процесса обработки, в соответствии с чем ориентирован и поток заготовок. Однако применение в качестве технологического оборудования в основном станков с ЧПУ и многоцелевых станков в значительной степени увеличивает их гибкость при сохранении высокой производительности.
В качестве примера на рис. 2.6 приведены структурные схемы ГАЛ для обработки заготовки корпуса коробки передач фирмы Hillier Hille (Германия) (рис. 2.6, а) и головок блока цилиндров фирмы Diedesheim (Германия) (рис. 2.6, б).
В отличие от традиционных автоматических линий ГАЛ характеризуются:
более широким применением средств вычислительной техники для управления работой технологического оборудования, в том числе его переналадки, а также объединением систем управления отдельным оборудованием в единую систему - автоматизированный комплекс, управляемый от ЭВМ;
использованием на отдельных рабочих позициях револьверных головок со сменными одиночными инструментами или инструментальными блоками, сменных шпиндельных коробок для многоинструментальной обработки;
наличием унифицированных узлов, оснащенных устройствами ЧПУ, обеспечивающими координатные перемещения по одной-двум осям, а также определенных участков транспортной системы, имеющих переменный цикл работы;

I I L
Рис. 2.6. Схема компоновки автоматических линий:
а - для изготовления корпусов коробки передач: 1 - позиция установки; 2 - станки с поворотными многошпиндельными головками для начальной и промежуточной обработки заготовок; 3 - конвейер возврата спутников с приспособлениями; 4 -многоцелевые станки; 5 - прецизионные расточные станки; 6 - конвейер-накопитель; 7 - моечная машина; 6 - для изготовления головок блока цилиндров: 1 - станки с поворотными многошпиндельными головками; 2 - прецизионный фрезерный станок; 3, 4 - многоцелевые станки соответственно с четырьмя и пятью управляемыми координатами; 5 - пульт управления
использованием переналаживаемых механизмов в составе тра-диционного оборудования. Например, в агрегатных станках используют шпиндельные коробки, у которых ряд шпинделей подвижен в осевом
и радиальном направлениях относительно корпуса.
ГАЛ применяют в условиях нестабильного массового и крупносерийного производства на автомобильных, тракторных и других заводах в двух вариантах:
как однономенклатурную линию, но имеющую в составе гибкое оборудование, так как в процессе ее эксплуатации необходимо переходить на выпуск нового или модернизированного изделия;
как многономенклатурную переналаживаемую линию, которая в процессе эксплуатации может дополнительно перенастраиваться на выпуск новых изделий, не предусмотренных при проектировании.
2.2. Классификация и структура гибких производственных систем
В соответствии с ГОСТ 26228-90 гибкая производственная система (ГПС) представляет собой управляемую средствами вычислительной техники совокупность технологического оборудования, состоящего из разных сочетаний гибких производственных модулей (ГПМ) и (или) гибких производственных ячеек (ГПЯ), автоматизированной системы технологической подготовки производства и системы обеспечения функционирования, обладающую свойством автоматизированной переналадки при изменении программы производства изделий, разновидности которых ограничены технологическими возможностями оборудования. На рис. 2.7 приведена структурная схема ГПС.
Рис. 2.7. Структурная схема гибкой производственной системы
В качестве примера на рис. 2.8 показана компоновка ГПС для изготовления корпусных изделий. Составными частями ГПС являются ГПЯ и ГПМ. Под гибкой производственной ячейкой (ГПЯ) понимают управляемую средствами вычислительной техники совокупность нескольких ГПМ и системы обеспечения функционирования, осуществляющую комплекс технологических операций, способную работать автономно и в составе ГПС при изготовлении изделий в пределах подготовленного запаса заготовок и инструмента. На рис. 2.9 приведена структурная схема элементов ГПЯ.
1
Рис. 2.8. Схема компоновки гибкой производственной системы для изготовления корпусных деталей:
1 - автоматизированный склад заготовок и деталей; 2 - автоматизированный склад палет, приспособлений и режущих инструментов; 3 - пульт управления; 4 - автоматизированная моечная машина: 5 - измерительная машина; 6 - робокар для транспортирования инструментальных магазинов; 7 - многоцелевые станки (6 шт.); 8 - робокар для транспортирования палет с заготовками и деталями; 9 - станции для установки - снятия приспособлений и заготовок (деталей)
Рис. 2.9. Структурная схема ГПЯ
л

a
3
Рис. 2.10. Схема компоновки гибких производственных ячеек:
а - фирма Cincinnati Milacron (США) с робокаром: 1 - многоцелевой станок; 2 - автоматизированная моечная машина; 3 - измерительная машина; 4 - пульт управления; 5 - транспортно-накопительное устройство; 6 - робокар;
6 - фирмы Geddings Lewis (США) с двумя многоцелевыми станками: 1 - многоцелевой станок; 2 - рельсовая тележка; 3 - стационарное накопительное устройство палет с заготовками;
в - фирмы Geddings Lewis (США) с тремя многоцелевыми станками: 1 - токарнокарусельный станок; 2 - промышленный робот для загрузки дополнительного инструмента; 3 - многоцелевой станок; 4 - рельсовая тележка;
5 — накопительное устройство;
г — сборочной: 1 - позиция ручной сборки; 2 - конвейер; 3 - кассета с изделиями; b 4 - вибробункеры; 5, 6- сборочные промышленные роботы
На рис. 2.10 (а-г) показаны различные схемы компоновок ГПЯ.
Под гибким производственным модулем (ГПМ) понимают единицу технологического оборудования, автоматически осуществляющую технологические операции в пределах его технических характеристик, способную работать автономно и в составе ГПС или ГПЯ.
На рис. 2.11 приведена структурная схема элементов ГПМ. При работе в составе ГПЯ или ГПС средства автоматизации ГПМ определяются организацией информационных и материальных потоков.
Рис. 2.11. Структурная схема гибкого производственного модуля
В качестве примера на рис. 2.12 показаны принципиальные схемы ГПМ.
В ГПМ, построенных на основе токарных многоцелевых станков, для загрузки заготовок и удаления со станка деталей, смены инструментов широко применяются различные типы промышленных роботов (рис. 2.13, а. б, в, г). Такие ГПМ часто называют роботизированными технологическими комплексами (РТК). В отдельных случаях промышленные роботы применяются также в ГПМ для обработки корпусных деталей.
Во всех этих ГПМ промышленные роботы применяются как средстве автоматизации. Наряду с этим в настоящее время создаются ГПМ, где промышленный робот выполняет функции технологического оборудования и средства автоматизации одновременно. Например, ГПМ для снятия заусенцев на заготовках, других видов механической обработки, сборки различных изделий (см. рис. 2.13, д) и др.
ГПС классифицируются по различным признакам. В зависимости oi комплектности изготовления изделий различают ГПС: операционные, когда выполняется одна или несколько технологических операций изготовления изделия; предметные, изготавливающие отдельные детали сборочных единиц; узловые, изготавливающие комплекты деталей сборочных единиц и осуществляющие сборку узлов.
a
Рис. 2.12. Схема компоновки гибких производственных модулей:
а - с линейным накопителем палет с заготовками: 1 - многоцелевой станок; 2 - рельсовая тележка; 3 - стационарный линейный накопитель палет с заготовками; б - с овальным накопителем: 1 - многоцелевой станок; 2 - накопитель палет с заготовками; 3 - перегрузочный поворотный стол; в - с накопителями палет с заготовками и многошпиндельных сменных агрегатных головок: 1 - накопитель палет; 2 - многоцелевой станок; 3 - магазин сменных многошпиндельных головок; 4 - робокар для смены головок;
5 - робокар для смены палет
7
Рис. 2.13. Схемы компоновки роботизированных технологических комплексов:
а - с подвесным промышленным роботом: 1 - накопитель заготовок; 2 - промышленный робот; 3 - токарный многоцелевой станок; б - с приставным роботом: 1 - токарный многоцелевой станок; 2 - приставной промышленный робот; 3 — накопитель заготовок; в - с напольным промышленным роботом: 1 - напольный промышленный робот; 2 - многоцелевой станок; г - с портальным промышленным роботом: 1 - накопитель заготовок; 2 - токарный многоцелевой станок; 3 - портальный промышленный робот; д - со сборочным промышленным роботом: 1 - суставчатый промышленный робот; 2 - позиция сборки изделий; 3 - вибробункеры подачи собираемых элементов; 4 - карусель с изделиями; 5 - позиция для установки дополнительных устройств (для сборки резьбовых соединений, запрессовки деталей и др.)
В зависимости от уровня автоматизации различают ГПС: 1-го и 2-го уровня автоматизации, когда осуществляется соответственно автоматизированная и автоматическая переналадка ГПС при изготовлении освоенных изделий; 3-го уровня автоматизации, когда осуществляется автоматизированная переналадка ГПС при переходе на изготовление новых изделий.
Уровни автоматизации ГПМ и ГПЯ устанавливаются в зависимости от автоматически выполняемых ими функций, перечень которых должен регламентироваться в соответствующих стандартах на конкретные виды ГПМ и ГПЯ.
Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) - участок цеха, технологическое оборудование которого состоит преимущественно из ГПМ, ГПЯ и ГПС. В нем предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.
Предметные ГАУ производят полное (комплектное) изготовление однотипных изделий определенной группы (валов, фланцев, корпусов и др.). Узловые ГАУ изготовляют комплекты деталей и в отдельных случаях осуществляют сборку узлов определенных типоразмеров, состоящих из этих деталей. На таких ГАУ изготовляют комплекты основных деталей узлов, затем осуществляют доукомплектацию (из склада покупных деталей), после чего полные комплекты деталей ритмично поступают на автоматизированный сборочный участок, конечным продуктом которого являются собранные и при необходимости упакованные узлы.
Наряду с ГАУ имеются также другие гибкие организационные структуры производства - такие как гибкий производственный цех (ГАЦ) и гибкий автоматизированный завод (ГАЗ). Подробнее эти структуры производства рассмотрены в главах 7 и 15.
2.3. Основные технико-экономические показатели
Для станочных систем применяется та же номенклатура основных показателей, что и для любого изделия машиностроения, в том числе для металлорежущих станков (см. гл. 2, т.1 настоящего справочника).
ГОСТ 26228-90 рекомендует выбирать основные показатели, которые риведены ниже. При этом следует выбирать показатели, которые характеризуют систему в целом, ее возможности и технический уровень. Показатели входящих в систему элементов - технологического оборудования, транспортных систем, систем управления и др., которые характеризуют каждый компонент сложной технологической системы (АЛ, ГПС, ГПЯ), заимосвязаны с характеристиками станочной системы в целом и формируют ее.
Показатели назначения, которые включают в себя показатели функциональные и технической эффективности; показатели изготовляемой продукции; эксплуатационные показатели.
Показатели надежности, в частности, коэффициент технического использования оборудования ГПС, при определении которого учи-гывают простои в ремонте и обслуживании основного технологического оборудования, а также простои в ремонте и обслуживании вспомогательного оборудования, вызывающие простои основного оборудования ГПС. Номенклатура показателей надежности составных частей ГПС учитывается в стандартах на их конкретные виды.
Показатели экономического использования сырья, материалов, топлива, энергии и трудовых ресурсов с определением удельных затрат материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
Эргономические показатели, характеризующие условия работы человека.
Эстетические показатели, характеризующие совершенство исполнения ГПС.
Показатели транспортабельности, характеризующие приспособленность ГПС к транспортированию оборудования.
Показатели стандартизации и унификации, характеризующие степень насыщенности ГПС стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями.
Патентно-правовые показатели, характеризующие степень обновления технических решений и их патентной защиты.
Экологические показатели, обусловливающие выполнение требований по защите окружающей среды.
Показатели безопасности, обусловливающие выполнение требований по защите персонала в процессе работы, обслуживания и ремонта оборудования.
В показателях назначения должны быть отражены:
классификационные признаки - комплектность изготовления изделий, методы обработки, формообразования, сборки и контроля, разновидности обрабатываемых изделий, вид станочной системы и ее структура, уровень автоматизации, основное назначение;
состав системы - технологическое оборудование (тип, количество), система обеспечения функционирования, система управления;
технологические возможности - состав технологических операций и обеспечиваемые показатели качества (в первую очередь точности) изготовляемой продукции;
показатели производительности, которые определяются продолжительностью производственного цикла изготовления изделий (узла или комплекта деталей для его сборки);
экономические показатели - суммарный технико-экономический эффект использования ГПС, достигаемый сокращением: объема незавершенного производства, непроизводительных простоев оборудования, численности производственного персонала и сроков освоения и изготовления изделий;
показатели изготовляемой продукции - пределы конструктивно-технологических характеристик изделий (их серийность и партионность, а также полнота охвата изделий по номенклатуре) и технологического процесса их изготовления;
эксплуатационные показатели - режим работы ГПС, продолжитель-ость ее работы в автоматическом режиме, численность персонала, произ-одственная площадь.
Сложные системы, особенно автоматизированные, к которым относятся станочные системы, имеют ряд особенностей, в первую очередь:
большое число компонентов, каждый из которых самостоятельно выполняет заданные функции;
влияние на работоспособность взаимосвязей, которые в значительной степени зависят от структуры системы и методов управления;
\л о
зависимость эффективности системы и показателей качества от взаимодействия всех компонентов технологической системы;
возможность восстановления работоспособности отдельных элементов системы без прекращения ее функционирования;
возможность самоорганизации, саморегулирования и адаптации благодаря системам управления, информационным системам и исполнительным элементам подналадки.
При назначении основных показателей станочных систем необходимо учитывать указанные особенности и степень совершенства системы.
Наиболее важные показатели, характеризующие станочную систему в целом, следующие: показатели качества (точности) изготавливаемой продукции; показатели надежности; показатели производительности; экономические показатели.
Показатели качества. Они определяются в основном показателями точности деталей (включая отклонения размеров, формы и взаимного расположения обработанных поверхностей, параметры их волнистости и шероховатости), которые стабильно обеспечиваются системой.
В ряде случаев могут устанавливаться также требования, связанные с состоянием обработанной поверхности (твердость, поверхностные напряжения, прижоги и др.).
Показатели качества являются продуктом всех компонентов станочной системы. Поэтому если для отдельно взятого станка показатели точности определяются параметрами траекторий формообразующих узлов станка (гл. 2, т. 1 настоящего справочника), то для станочной системы - это точностные характеристики обработанных деталей.
В технической характеристике станочной системы должны быть указаны те показатели точности (значения или квалитет), которые гарантированно обеспечиваются данной системой.
Для автоматизированных станочных систем, особенно ГПС, необходимо учитывать возможность управления качеством в процессе обработки путем контроля точности, диагностики технологического оборудования и передачи этой информации в управляющую систему, которая анализирует и принимает необходимое решение. Оно может заключаться в выработке управляющего воздействия для подналадки оборудования или изменения режимов обработки, по изменению технологического маршрута (см. гл. 13).
Эта возможность ГПС повышает достигаемый уровень точности обработки и учитывается при назначении соответствующих показателей.
Показатели надежности. Для технологических, в том числе станочных систем, для оценки надежности используют те показатели, которые применяют для любых изделий машиностроения, в том числе для металлорежущих станков (см. т. 1, гл. 9 справочника). Однако в этом случае оценка надежности сложной системы осуществляется с учетом указанных выше особенностей. Поэтому такой основной показатель, как вероятность безотказной работы, здесь практически неприменим, поскольку выход из строя отдельных частей системы не приводит к прекращению ее функционирования, а лишь снижает ее эффективность (например, производительность).
В качестве основного показателя надежности станочных систем применяют коэффициент технического использования, который характеризует
л с
долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии относительно продолжительности эксплуатации (см. ГОСТ 27.002-83). При этом для ГПС учитывают простои в ремонте и обслуживании основного технологического оборудования, а также простои того вспомогательногс оборудования, которое вызывает простои основного оборудования (см. ГОСТ 26228-90).
Суммарное время простоев связано с ремонтопригодностью оборудования, методами и системой устранения отказов (ремонт по состоянию или по графику, наличие диагностических систем и др.) и частотой возникновения отказов.
По данным Р. Бонетто, простои (%) для гибкого автоматизированногс цеха в среднем составляют: технологического оборудования (станки) -до 7; транспорта и складирования - до 2; систем управления - до 0,5.
Для жестко связанных станков АЛ эти значения существенно возрастают и могут достигать 20 % (для АЛ из пяти станков).
Для станочных систем, у которых отказ оборудования вызывает отказ всей линии, в качестве показателя надежности следует применять вероятность безотказной работы P(t) за заданный промежуток времени (смена, рабочая неделя, месяц).
Для ГПС, которая продолжает функционировать при возникновении отказов и простоев отдельных ее элементов или частей, показателем надежности служит параметр потока отказов со - среднее число отказов е единицу времени.
Отказы, возникающие при работе технологических систем, разнообразны по своей физической природе, по последствиям и по возможности восстанавливать утраченную работоспособность. Поэтому при анализе причин недостаточной надежности системы их следует классифицировать по различным признакам. Внезапные отказы следует оценивать продолжительностью восстановления работоспособности и следует строить гистограмму, отражающую число отказов каждой категории (рис. 2.14).
Число отказов
Рис. 2.14. Гистограмма распределения отказов
СП
Отказы следует также учитывать отдельно для основных частей системы: технологического оборудования, транспортных систем, систем управления согласно структурной схеме на рис. 2.7.
Для каждой категории определяют свой параметр потока отказов coz и суммарный параметр для всей системы со = Zcoz. Эти параметры вместе с коэффициентом технического использования определяют роль в формировании надежности каждого компонента технологической системы. Необходимым (но не достаточным) условием обеспечения высокой надежности станочных технологических систем является надежная работа каждой части системы и, в первую очередь, технологического оборудования.
Требования к станкам, работающим в условиях ГПС, по сохранению точности (параметрическая надежность) возрастают на несколько порядков по сравнению с требованиями к используемым в обычном производстве по следующим причинам:
интенсивность использования станков в ГПС возрастает в 8-10 раз;
в многоцелевых станках одни и те же формообразующие узлы (шпиндель, суппорт) выполняют и чистовые, и черновые операции, поэтому нагрузки на прецизионные узлы возрастают в 10-100 раз;
постоянно растут требования к точности обработки.
Поэтому показатели, оценивающие параметрическую надежность станков, - ресурс по точности, запас надежности по параметру, вероятность безотказной работы - являются составным элементом при оценке надежности станочных систем.
Решая проблему создания работоспособных сложных технологических комплексов и в особенности ГПС, как правило, ставят задачу обеспечения трех уровней надежности:
надежности персонала (обучение, расширение функций, безотказность работы);
надежности оборудования и систем управления;
надежности результата - производство продукции гарантированно высокого уровня качества.
Показатели производительности. Производительность станочных систем определяется количеством годной продукции, выпущенной в единицу времени. При этом выпущенную продукцию необходимо относить ко всему плановому фонду времени, когда технологическое оборудование должно функционировать.
Основные показатели производительности станочных систем следующие: цикловая производительность, техническая производительность, фактическая производительность.
Цикловая производительность 0ц - число изделий р, выдаваемое АЛ за время рабочего цикла Гц (мин), т.е. Qu = р/Гц. Если АЛ выдает за цикл одно изделие (р = 1), что наиболее типично, то 0ц = 1/Гц. Каждый рабочий цикл Гц содержит время /р рабочих ходов, когда проводится обработка, контроль, сборка, и время /в - несовмещенных вспомогательных ходов, когда технологический процесс прерывается, например, для загрузки и зажима заготовок. Цикловая производительность 0ц характеризует лишь потенциальные возможности станочной системы по выпуску продукции в условиях, когда последняя работает непрерывно, без простоев, и при этом вся выпущенная продукция является годной.
Техническая производительность QT — среднее число годных изделий, выдаваемых АЛ в единицу времени при условии обеспечения ее всем необходимым, с учетом времени работы и собственных простоев. В условиях массового производства QT = p-у /(7Ц + L/c), а в условиях серийного производства с переналадками QT = p-у /(7Ц + Е/с + Z/nep)? где у - безразмерный коэффициент выхода годных из р обработанных изделий, численно равный доле годной продукции, принятой ОТК; Е/с, L/nep - внецикловые потери на единицу продукции (мин/шт.) соответственно по техническим причинам (собственные) и для переналадки технологического оборудования АЛ.
Фактическая производительность Оф - среднее число годных изделий, выдаваемых АЛ в данных конкретных условиях производства, с учетом всех видов простоев АЛ.
Влияние простоев определяют либо через коэффициент использования /Дю, либо через внецикловые потери L/n. В первом случае
Здесь
Jp_ ер _	1
с о 9Р + Е9П i + sen/ep’
где 0Р - суммарное время работы станочной системы за время 0; L0n -суммарное время простоев станочной системы за этот же период.
Коэффициент использования можно выразить как произведение частных коэффициентов, отражающих влияние тех или иных видов простоев: Лис = Лти Лпер Лз, где г|ти - коэффициент технического использования, учитывающий простои из-за собственных потерь технологического оборудования; т|пер - коэффициент переналадок, учитывающий простои вследствие переналадки; т|3 - коэффициент загрузки, учитывающий простои по организационно-техническим причинам.
Например, АЛ загружена согласно производственной программе на 80% (т|з = 0,8), кроме того, 10 % времени она простаивает для переналадок (ЛпеР = 0,9) и в периоды обеспечения АЛ всем необходимым работает 80% времени (г|ти = 0,8). В итоге доля планового времени, когда АЛ работает и выпускает продукцию, составляет т|ис = т|ти’г1пеР,т|з= 0,8-0,9-0,8 = 0,58.
Во втором случае оценка фактической производительности проводится через внецикловые потери Ё/п, как простои АЛ, приходящиеся на единицу выпущенной продукции (мин/шт.). При этом Е/П=Е/С + Z/opr + Z/nep, где E/opr - организационные простои.
В этом случае фактическая производительность 0ф = р у /(Zp + tB+ Lzn).
При расчете производительности станочных систем, работающих в условиях средне- и мелкосерийного производства, когда обрабатываются различные заготовки определенной номенклатуры, могут применяться в общем случае два основных метода: по типовой детали-представителю; по интегральным характеристикам комплекта изделий, закрепленных для обработки на станочной системе.
В первом случае производительность определяют как и для систем, работающих в массовом производстве. Дополнительно только учитывают потери на переналадку с помощью среднего времени переналадки 0пер и
среднего размера z партии заготовок, обрабатываемых между двумя пере-наладками, а также с учетом числа параллельно работающих станков р:
Недостаток первого метода заключается в трудности достоверного подбора типовой детали-представителя. Кроме того, формула для подсчета Оф по существу не содержит ни одного параметра станка и технологического процесса обработки заготовок.
При применении второго метода производительность рассчитывается по формуле (для р = 1):
Оф —
бу
s +1 s +1 a+ t + X + X ^opr 4— (б14" e2s)
Pl	B|	D2	B3  ' v	vpi	XI	X. z
z
Здесь время рабочих ходов цикла	где j - среднее время
единичного перехода при обработке; S - среднее число переходов при обработке одной заготовки
где в числителе - суммарное время обработки всех заготовок комплекта (с учетом партионности), в знаменателе - число переходов
где в числителе - число переходов при обработке всего комплекта деталей, в знаменателе - число изделий в комплекте (с учетом партионности)
t =t S + L A + t в в । в 2	1
где ZBj - среднее время единичной замены координаты; S - среднее число переходов при обработке одной заготовки, т.е. среднее число замен координат в одном рабочем цикле; /В2 - среднее время замены инструмента в шпинделе; А - среднее число инструментов при обработке одной заготовки; ГВз - среднее время загрузки-съема заготовки. Величины , t,	, А, и
S являются среднестатистическими.
Внецикловые потери вследствие переналадки целесообразнее опреде-лять относительно единицы выпущенной продукции (общее время переналадки оборудования на обработку конкретной партии заготовок делят на число заготовок в партии):
где 0пер - среднее время переналадки станка на обработку различных деталей комплекта, закрепленного за станком, мин; Z - средний размер партии обработки, шт.; 0] - составляющая среднего времени переналадки, не зависящая от числа переходов при обработке (замена и выверка приспособлений, замена управляющей программы и др.); 02 - составляющая среднего времени переналадки, пропорциональная числу переходов при обработке (замена комплекта инструментов, обработка пробных заготовок с измерением размеров и коррекцией инструментов и управляющих программ и др.).
Расчеты требуемой производительности выполняют на этапах анализа заявки на проектирование и разработки технического задания обычно только для показателей фактической производительности.
Расчеты ожидаемой производительности АЛ осуществляют на различных этапах их проектирования, они различаются степенью точности и достоверности результатов в зависимости от проработанности технических решений и достоверности исходных данных, которые являются следствием обобщения результатов исследований работоспособности аналогичных действующих линий в условиях эксплуатации. Эти расчеты также выполняют только для фактической производительности.
Расчеты реальной производительности АЛ проводят на этапах их сдачи - приемки и промышленной эксплуатации. При этом определяют все показатели производительности (цикловая, техническая и фактическая), коэффициенты использования, технического использования, загрузки.
Целью данных расчетов является оценка соответствия требуемых и реально достигаемых показателей производительности. На основе этого принимают решение о приемке АЛ или о ее доработке, модернизации и т.д., оценивают резервы повышения производительности АЛ.
Показатели экономической эффективности станочных систем могут быть абсолютными и относительными (сравнительными). Последние служат для сопоставления проектируемого варианта с базовым или различных проектных вариантов между собой.
Значения показателей экономической эффективности АЛ могут быть трех видов: требуемые, ожидаемые и реальные.
Требуемые показатели экономической эффективности - это задаваемые значения конкретных показателей, рассчитываемые исходя из обеспечения служебного назначения изготавливаемой продукции.
Ожидаемые показатели экономической эффективности - это расчетные, прогнозируемые значения показателей проектируемых АЛ.
Реальные показатели экономической эффективности - это значения показателей действующих АЛ в реальных условиях эксплуатации.
Важнейшие показатели сравнительной экономической эффективности следующие: срок окупаемости дополнительных капиталовложений; коэффициент эффективности дополнительных капиталовложений; приведенные затраты и, как результат, - годовой экономический эффект.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматические линии в машиностроении: В 3-х т. Т. 1. Этапы проектирования и расчет: Справочник /Под ред. Л. И. Волчкевича. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.
2.	Автоматические линии в машиностроении: В 3-х т. Т. 2. Станочные автоматические линии: Справочник /Под ред. А.И. Дащенко. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.
3.	Автоматические роторные линии /И.А. Клусов, Н.В. Волков, В.И. Золотухин и др. -М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.
4.	Белов В.С., Васильев С.Г. Современное состояние советского станкостроения и направления его развития // Станки и инструмент. 1990, № 6. - С. 2-5.
5.	Бонетто Р. Гибкие производственные цеха. Париж: Изд-во, Гермес, 1986. - 183 с.
6.	Васильев В.С. Принципы построения гибких производств //Станки и инструмент. -1984, №4.-С. 4-6.
7.	Гибкие производственные комплексы /Лещенко В.А., Киселев В.М., Куприянов Д.А. и др. / Под ред. П.Н. Белянина и В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.
8.	Проников А.С. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1978. - 592 с.
9.	Справочник технолога-машиностроителя: В 2-х т. Т. 1. / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.
Глава 3.
СТАНКИ КАК ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ
3.1.	Оборудование станочных систем и требования к ним
Состав технологического оборудования, входящего в станочные системы, его конструктивные особенности и компоновка определяются в первую очередь типом и конструкцией изготовляемых деталей, объемом их выпуска, свойствами обрабатываемых материалов, требованиями к точности их обработки и некоторыми другими требованиями производства.
Для выполнения различных операций технологического процесса обработки на станочных системах (автоматических линиях) используют различное технологическое оборудование, как специально созданное для работы в станочных системах, так и приспособленное или модернизированное для этой цели.
В станочных системах массового производства используют специальные полуавтоматы и автоматы. В крупносерийном производстве станочные системы строят на основе специализированных, а также в некоторых случаях специальных автоматов и полуавтоматов. При средне- и мелкосерийном производстве деталей станочные системы строят на основе специализированных перенастраиваемых автоматов, станков с ЧПУ, а при применении ГПМ и ГПЯ - на основе многоцелевых металлорежущих станков (МС).
По уровню автоматизации технологическое оборудование, используемое в станочных системах, можно подразделить на:
станки-полуавтоматы, в которых автоматизирован только цикл обработки с целью получить заданные размеры, форму и качество изготовляемой детали;
станки-автоматы, в которых наряду с автоматизацией цикла обработки автоматизирована загрузка заготовок в рабочую зону и снятие обработанных деталей; они снабжены магазинами заготовок и деталей, а также специальными загрузочными устройствами;
станки-автоматы, в которых автоматизирован дополнительно контроль за ходом технологического процесса (контроль размеров заготовки и детали, контроль износа режущего инструмента с целью его своевременной замены и предотвращения его поломки, контроль и регулирование режимов обработки с целью их оптимизации), а также диагностирование состояния станка и его системы управления;
станки-автоматы, в которых дополнительно к трем указанным выше уровням автоматизирована переналадка станка при переходе на изготовление деталей другого наименования.
При выборе или проектировании технологического оборудования для автоматических линий необходимо иметь следующие данные:
тип и размеры изготовляемой детали, необходимую точность обработки, коэффициент загрузки и использования, серийность и программу выпуска, прогнозируемые условия эксплуатации, условия монтажа;
уровень автоматизации оборудования;
способ подачи заготовок и отвода деталей от автомата;
условия встраивания автомата в автоматическую линию, место автомата, его желательные габаритные размеры и зону обслуживания, условия подвода энергии, СОЖ и воздуха, удаления отходов;
внешние связи автомата и линии (основные блокировки, сигнализация, поведение автомата в случае внезапных остановов в линии другого оборудования или транспорта);
условия пуска автомата и условия его сдачи в производство;
особые требования по технике безопасности и производственной санитарии, противопожарные требования;
желательная комплектация автомата принадлежностями, запасными частями и пр.;
необходимая документация на автомат (руководство по эксплуатации, чертежи узлов и др.).
Автоматические линии массового и крупносерийного производства для изготовления деталей типа тел вращения могут включать различное технологическое оборудование: одношпиндельные и многошпиндельные обычные и роторные автоматы, токарные отделочные автоматы, двусторонние торцешлифовальные автоматы с горизонтальными шпинделями, плоскошлифовальные и круглошлифовальные автоматы, внутришлифовальные и доводочные автоматы, контрольно-измерительные автоматы и др.
Автоматические линии для изготовления корпусных деталей строят на основе агрегатных станков (фрезерных, сверлильных, расточных, доводочных) различной компоновки.
В гибких автоматических линиях наряду с обычными агрегатными станками применяют агрегатные станки с ЧПУ со сменными многошпиндельными головками.
На рис. 3.1 показаны агрегатные станки с ЧПУ с горизонтальной и вертикальной компоновкой шпинделя фирмы Heckert (Германия), применяемые в гибких автоматических линиях этой фирмы (см. рис. 2.2, б).
Рис. 3.1. Схемы компоновки агрегатных станков с ЧПУ, используемых в ГАЛ, с горизонтальной (а) и вертикальной (б) компоновкой шпинделя:
1 - станина; 2 - стол; 3 - стойка; 4 - шпиндельная бабка
Агрегатный станок с ЧПУ с магазином многошпиндельных головок фирмы Renault (Франция) показан на рис. 3.2. Здесь смена многошпин
дельных головок производится путем сдвига, когда очередная головка 7, расположенная в магазине 5 вертикально, поворачивается в позиции смены в горизонтальное положение инструментов и по окончании обработки сменяемая головка 2 на станке сдвигается влево в позицию 4, а головка 7 устанавливается в рабочую позицию станка 3.
Рис. 3.2. Схемы компоновки агрегатных станков с магазином многошпиндельных головок, сменяемых путем сдвига:
1 - головка в позиции смены; 2 - головка в рабочей позиции; 3 - станок;
4 - приемная позиция; 5 - магазин головок
Агрегатный станок с ЧПУ с магазином многошпиндельных головок, заменяемых откидным способом, и последовательность смены головок данным способом показаны на рис. 3.3.
Агрегатный станок с ЧПУ фирмы Mandelli (Италия) с круговым магазином 2 многошпиндельных головок и шестипозиционной поворотной головкой 3 показан на рис. 3.4.
Указанные станки, благодаря наличию многошпиндельных головок, обеспечивают высокую производительность обработки (как обычные агрегатные станки), и в то же время имеют значительную гибкость, обусловленную числом головок в магазине, что позволяет сравнивать их с многоцелевыми станками, применяемыми в ГПМ средне- и мелкосерийного производства.
Рис. 3.3. Схемы компоновки агрегатного станка с ЧПУ (а) и последовательность смены многошпиндельных головок откидным методом (б):
1 - станок; 2 - головка в рабочей позиции; 3 - головка в позиции смены; 4 - магазин головок
Рис. 3.4. Схемы компоновки агрегатного станка с ЧПУ с круговым магазином многошпиндельных головок:
1 - позиция загрузки головок в магазин; 2 - магазин; 3 - поворотная шестипозиционная головка станка; 4 - рабочий стол со сменной палетой; 5 - поворотное устройство для смены палет на станке
3.2.	Особенности многоцелевых станков, встраиваемых в гибкие производственные системы
Как указывалось в гл. 2, имеются станочные системы разного уровня построения, ГПМ, ГПЯ и ГПС (см. рис. 2.1), которые различаются в основном числом единиц технологического оборудования и соответствующей структурой построения транспортно-накопительных систем и систем управления.
При разном структурном построении ГПС их основным составным элементом являются различные типы многоцелевых станков, определяющих технологические возможности ГПС и их многие техникоэкономические показатели.
Обобщенно можно сказать, что в ГПС применяются многоцелевые станки двух групп:
для обработки заготовок корпусных деталей, а также заготовок типа плит (чаще всего это сверлильно-фрезерно-расточные станки с ЧПУ);
для изготовления деталей типа тел вращения (токарные многоцелевые станки).
Основными признаками многоцелевых станков обеих групп являются высокая степень автоматизации и гибкость, наличие постоянного контроля за ходом обработки с помощью управляющей ЭВМ и саморегулирование процесса обработки в соответствии с изменяющимися условиями работы.
На практике наибольшее применение получили ГПМ, ГПЯ и ГПС, построенные на основе первой группы многоцелевых станков. Токарные многоцелевые станки, применяемые для изготовления деталей типа тел вращения, распространены меньше, что объясняется, в частности, относительно коротким рабочим циклом и соответственно необходимостью при их использовании в РТК накопителя с большой вместительностью заготовок и большого числа приспособлений-спутников (стеллажей, магазинов), если они необходимы.
К многоцелевым станкам, на основе которых создаются ГПМ и ГПЯ, предъявляются специфические требования, связанные с работой станка в автоматическом цикле в течение длительного времени (две-три смены), в том числе в отсутствие оператора. Это требует оснащения станка автоматическими устройствами накопления и смены режущих инструментов, заготовок, управляющими и контрольными устройствами, обеспечивающими выполнение функций, возлагаемых на обычных станках на оператора.
Оснащение многоцелевых станков автоматизированными транспортно-накопительными устройствами при построении ГПМ и ГПЯ, налагает также определенные требования к компоновке применяемых в них станков. В этом случае станок связан с постоянно действующей транспортной системой. Зона загрузки станка (обычно стол) и спутник (палета) должны при смене обрабатываемой заготовки занимать строго определенное положение относительно трехкоординатной системы отсчета.
Подвижные органы многоцелевого станка, несущие инструмент и заготовку, как правило, перемещаются не менее чем в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Необходимость поддержания стола с заготовкой на постоянных высоте и расстоянии от транспортной системы накопителя определяют компоновку станка, встраиваемого в ГПМ.
Наиболее характерной особенностью современных ГПМ, ГПЯ и ГПС, а также их составных элементов является применение модульного принципа их построения, что обеспечивает:
увеличение гибкости при построении как ГПМ, ГПЯ и ГПС, так и входящих в них многоцелевых станков;
возможность перехода к типовому проектированию новых производств из готовых унифицированных компонентов, сокращающему объем и сроки разработки конструкторской документации;
сокращение производственных расходов и сроков создания комплексов и станков благодаря запуску в производство основных унифицированных компонентов параллельно с разработкой конструкторской документации;
снижение трудоемкости изготовления компонентов многоцелевого станка, транспортно-накопительной системы благодаря серийному изготовлению унифицированных узлов на специализированных заводах;
увеличение надежности работы ГПС и входящих в них многоцелевых станкор благодаря применению апробированных конструкций унифицированных узлов.
На рис. 3.5, а показаны набор модулей различных составляющих элементов ГПМ фирмы Ех-Се11-0 (Германия), а на рис. 3.5, б, в приведены схемы конкретных ГПМ, состоящих из этих модулей.
Разработка и усовершенствование многоцелевых станков, применяемых в ГПС, проводилась как на базе совершенствования имеющихся металлорежущих станков с ЧПУ, так и на основе разработки станков с принципиально новыми компонентами и конструкциями.
В качестве примера на рис. 3.6, 3.7 показана последовательность разработки и усовершенствования многоцелевых станков фирмы Maho (Германия) и фирмы Kearney and Trecker (США) для построения ГПМ.
В современных многоцелевых станках должны обеспечиваться:
необходимая мощность привода главного движения, исходя из применения современных режущих инструментов;
широкий диапазон частот вращения шпинделя, учитывая возможность проведения на одном станке черновой и чистовой обработки. В некоторых случаях требуется скоростная обработка (заготовки из легких сплавов на основе алюминия) с частотой вращения 18000 - 30000 мин’1 и с подачей инструмента до 2500 мм/мин;
максимальная возможность обработки заготовки с одного установа (с четырех или пяти сторон);
высокие статическая и динамическая жесткость базовых узлов и приводов подачи;
высокое быстродействие исполнительных механизмов и устройств;
высокая точность позиционирования рабочих органов, несущих заготовку и инструмент, высокая повторяемость выхода рабочего органа в заданную координату, а также высокая точность изготовления детали в целом;
сохранение заданной точности в процессе эксплуатации станка в условиях многосменной работы;
удобное расположение инструментального магазина с необходимой вместимостью и с обеспечением быстрой смены инструмента;
минимальное время на смену палет с заготовками и деталями;
11
10
a
Рис. 3.5. Набор модулей для построения гибких производственных модулей (ГМП) и схемы их компоновки и гибких производственных ячеек (ГПЯ), состоящих из этих модулей:
а - набор модулей: 1 - подрезная силовая головка по координате У; 2 - устройство для смены сверлильных головок; 3 - многопозиционные поворотные сверлильные головки; 4 - многоцелевой станок; 5 - поворотное перегрузочное устройство; 6, 7, 8 - транспортнонакопительные устройства соответственно кругового, овального, линейного типа; 9 - инструментальный магазин; 10 - дисковый инструментальный магазин; 11 - инструментальный магазин с двумя дисками; б — схема ГПМ с круговым транспортно-накопительным устройством: / - станок; 2 - инструментальный магазин с двумя дисками; 3 - поворотное перегрузочное устройство; 4 - круговое транспортно-накопительное устройство; 5 - позиция загрузки-разгрузки палет; в - схема ГПЯ: 1,6- многоцелевые станки; 2,5- поворотные перегрузочные устройства; 3 - транспортно-накопительное устройство овального типа; 4 - позиция загрузки-разгрузки палет
возможность эксплуатации при больших расходах СОЖ;
хороший доступ к рабочей зоне;	z
благоприятные условия для отводки стружки;
хорошая защита рабочей зоны станка от воздействия окружающей среды;
высокая надежность работы;
модульный принцип построения;
хороший визуальный контроль заготовки во время обработки при соблюдении правил техники безопасности;
возможность использования на станках при обработке заготовок корпусных деталей многошпиндельных сменных головок и программируемых пл ан-су ппортов.
Особенность современных многоцелевых станков - расширение применения мехатронных узлов. Это электромеханические системы, включающие в себя встроенный электродвигатель с электромагнитной или с электромеханической редукцией, встроенные измерительные преобразователи механических и электрических характеристик, микроэлектронное устройство управления двигателем этой системы и другие электронные, оптоэлектронные, электротехнические и механические элементы, обеспечивающие выполнение определенных технологических функций.
Использование мехатронных узлов позволяет на более высоком уровне реализовать модульный принцип построения металлорежущих станков.
Дополнительные требования предъявляются также к системам управления многоцелевыми станками.
Рис 3.6. Последовательность разработки и усовершенствования многоцелевых станков для ГПЯ фирмы Maho (Германия):
I- универсальный фрезерный станок с ручным управлением; //- универсальный фрезерный станок с ЧПУ; III- многоцелевой станок; IV- ГПЯ на базе двух многоцелевых станков
Рис. 3.7. Последовательность разработки и усовершенствования многоцелевых станков для ГПМ фирмы
Kearney and Trecker (США):
I - многоцелевой станок с четырехпозиционным поворотным столом; II - многоцелевой станок с поворотным перегрузочным устройством; III — ГПМ
Рис. 3.8. Последовательность перегрузки палет с заготовкой с транспортной тележки на станок:
I - опускание стола тележки с палетой; II - установка левого конца стола тележки на жесткую опору; III - подъем правого конца стола тележки; IV - перегрузка палеты с заготовкой с тележки на станок
Система ЧПУ должна иметь запоминающее устройство, вместимость которого позволяет хранить такое число управляющих программ (УП), которое равно числу типоразмеров деталей, изготовляемых на многоцелевом станке. При этом она должна вызывать соответствующую УП по получению внешнего сигнала опознания заготовки, например, от кодовой платы на палете или от датчика, встроенного в измерительную головку.
В запоминающем устройстве системы ЧПУ должно храниться большое число разнородных системных программ, в том числе программ выборки и автоматической смены инструментов, идентификация закодированных палет, управления транспортированием деталей в пределах модуля.
Система ЧПУ станком должна иметь связь с ЭВМ высшего уровня для передачи управляющих программ, диагностирования, сбора статистической информации и других целей.
Система ЧПУ должна обеспечивать:
контроль поломки режущего инструмента;
непрерывный контроль за износом режущих инструментов и обеспечение замены изношенных инструментов резервными;
контроль обрабатываемой заготовки (в начале обработки и в конце непосредственно на станке) специальным измерительным щупом;
диагностирование функционирования блоков системы управления и узлов станка;
адаптивное управление обработкой;
коррекцию погрешностей станка (накопленной погрешности ходового винта, тепловых деформаций узлов и др.).
При применении многоцелевых станков в составе ГПС используют унифицированные и взаимозаменяемые столы-спутники (палеты) в сочетании с универсально-сборной оснасткой, что позволяет обрабатывать заготовки, существенно различающиеся по форме, без создания специальных зажимных приспособлений и проводить все работы по закреплению-раскреплению заготовок вне рабочей зоны станка и в процессе его работы.
Транспортно-накопительные устройства должны иметь также необходимую степень гибкости, чтобы приспосабливаться к возможностям обрабатываемых заготовок на станке.
На рис. 3.8 показана последовательность перегрузки палеты с заготовкой с транспортной тележки в рабочую зону многоцелевого станка.
На практике применяются и другие варианты перегрузки палет с заготовками и деталями на многоцелевых станках при изготовлении корпусных деталей.
В РТК, построенных на основе токарных многоцелевых станков, смена заготовок деталей производится промышленным роботом (навесным, приставным, напольным или портальным). Наибольшее применение получили портальные промышленные роботы.
3.3.	Компоновочно-конструктивные решения многоцелевых станков
Многоцелевые станки для изготовления корпусных деталей могут иметь горизонтальное или вертикальное расположение шпинделя. Наиболее распространены многоцелевые станки с гори-
зонтальным расположением, на которых при применении поворотного стола возможна обработка заготовок с четырех сторон, а при применении
поворотной головки - с пяти сторон (рис. 3.9).
Технологические возможности многоцелевых станков достаточно широки. На них можно производить: сверление, зенкерование, развертывание и растачивание отверстий, нарезание резьб метчиками и резцами, фрезерование плоскостей и сложных контуров заготовок из
Рис. 3.9. Поворотная шпиндельная головка:
а - с горизонтальным расположением оси шпинделя;
б - с вертикальным расположением оси шпинделя
черных металлов, легких сплавов, труднообрабатываемых сталей и сплавов режущим инструментом из твердого сплава, быстрорежущей стали, а также оснащенных композитами и режущей керамикой.
Компоновка многоцелевых станков характеризуется применением продольно-подвижной стойки и поперечно-подвцжного стола, термосимметричных П-образных бабок. Это обеспечивает высокую жесткость и виброустойчивость станка. Широкое распространение получили монолитные Т-образные чугунные станины с оребрением. В ряде случаев станины и другие детали изготовляют из полимербетона, что повышает виброустойчивость, снижает тепловые деформации, трудоемкость изготовления, обеспечивает получение точных деталей без механической обработки.
В конструкции многоцелевых станков широко применяют массивные стальные накладные закаленные направляющие, работающие в паре с чугунными направляющими или с направляющими со специальным пластмассовым покрытием (в направляющих скольжения), а также в паре с роликовыми блоками-танкетками (в направляющих качения).
В качестве приводов подач, наряду с электродвигателями постоянного тока, применяют регулируемые электродвигатели переменного тока, масса и габаритные размеры которых примерно вдвое меньше, что позволяет повысить скорость вспомогательных перемещений рабочих органов станка до 24 м/мин.
Конструктивные особенности различных узлов и механизмов многоцелевых станков данной группы подробно изложены во 2-м томе данного справочника.
Принцип модульного простроения станков из набора унифицированных узлов и систем позволяет легко приспосабливаться к требованиям конкретных заказчиков и осуществлять с минимальными затратами создание конкретных многоцелевых станков.
На рис. 3.10, 3.11 показаны схемы модульного построения многоцелевых станков фирмы Cincinnati Milacron (США) и фирмы Mazak (Япония).
Рис. 3.10. Набор модулей для построения многоцелевых станков фирмы Cincinnati Milacron (США):
а - типоразмеры модулей: 1 - основание; 2 - инструментальный магазин; 3 - колонна; 4 - шпиндельная бабка; 5 - обычный рабочий стол; 6 - двухпозиционный поворотный рабочий стол; 7 - однопозиционный рабочий стол; б - многоцелевой станок, скомпонованный из данных модулей
31
Рис. 3.11. Набор модулей для построения многоцелевых станков фирмы Mazak (Япония)
1 - шпиндельная бабка малой мощности; 2 - накопитель инструментальных магазинов; 3 - транспортная тележка для инструментальных магазинов; 4 - направляющая для перемещения инструментальных магазинов; 5 - инструментальный магазин; 6 - механизм поворота инструментального магазина; 7 - салазки для станины с двумя направляющими; 8 - стойка с ходом шпиндельной бабки 650 и 800 мм; 9 - станина с двумя направляющими; 10 - стойка с ходом шпиндельной бабки до 2000 мм; 11 - стойка с ходом шпиндельной бабки до 1000 мм; 12 - салазки для станины с тремя направляющими; 13 - удлиненная станина с тремя направляющими; 14 - наклонный поворотный стол с ЧПУ; 15 - встроенный поворотный стол с ЧПУ; 16 - стол с дополнительным перемещением; 17 - накладная плита с Т-образными пазами; 18 - горизонтальная фрезерная головка; 19 - вертикальная фрезерная головка; 20 - блок с фланцем для инструментальных головок; 21 - вспомогательный стол; 22 - фрезерная головка для обработки пазов; 23 - призма-приспособление с внутренними отверстиями; 24 - головка с токарными резцами; 25 - обычная призма-приспособление; 26 - протяжная головка; 27 - угловая призма-приспособление; 28 - многошпиндельная головка; 29 - борштанга большого диаметра; 30 - делительный поворотный стол; 31 - фреза большого диаметра; 32, 33, и 34 - гильзы шпинделя соответственно для большой, средней и малой скорости вращения, устанавливаемые в шпиндельной бабке большой мощности; 35 - шпиндельная бабка большой мощности; 36, 37 и 38 - гильзы шпинделя соответственно для малой, средней и большой скорости вращения, устанавливаемые в шпиндельной бабке малой мощности
Интенсивная работа многоцелевых станков в составе ГПМ, ГПЯ и ГПС связана с образованием большого количества стружки, которую необходимо автоматически удалять из рабочей зоны, а затем и от станка. Поэтому наличие устройства удаления стружки является необходимым условием функционирования, например ГПМ, при отсутствии оператора.
В многоцелевых станках для отвода стружки от станка используются пластинчато-шарнирные конвейеры либо конвейеры, представляющие собой комбинацию шнекового и пластинчато-шарнирного конвейера. Основные трудности связаны не с отводом стружки от станка, а с перемещением
ее из рабочей зоны станка в приемную часть транспортера. Создание специальных направляющих лотков, щитков и проемов в станинах не всегда возможно, поэтому в дополнение к указанным мероприятиям увеличивают количество подаваемой СОЖ, которая используется не только для охлаждения, но и для смыва стружки.
На рис. 3.12 в качестве примера показан один из вариантов удаления стружки с детали на ГПМ.
Рис. 3.12. Последовательность очистки палеты с обработанной деталью от стружки:
I - установка палеты в зону разгрузки; II - поворот устройства и сброс стружки; III - смещение палеты с заготовкой в рабочую зону станка; IV- поворот палеты с деталью в верхнее положение; V - съем детали; VI - обдув приспособления и палеты; VII- установка и закрепление заготовки; VIII- установка палеты в исходное положение
В некоторых многоцелевых станках улучшенные условия удаления стружки обеспечиваются соответствующей компоновкой рабочих органов, несущих заготовку и инструмент (рис. 3.13).
Вследствие возрастания скорости резания, обусловливающего наличие большого количества стружки, увеличения объема используемой СОЖ, а также в соответствии с требованиями техники безопасности на многоцелевых станках необходимо обеспечить надежное ограждение рабочей зоны в виде кабины (рис. 3.14). В то же время кабина должна быть такой, чтобы доступ в рабочую зону станка был прост и имелась возможность наблюдения за обработкой. Специальные конечные выключатели блокируют работу станка при открытой кабине.
При всестороннем ограждении рабочей зоны станка можно обмывать обработанную заготовку, приспособление, в котором она закреплена, и палету от стружки и загрязнений струей СОЖ, подаваемой на них под большим давлением. При этом их обмыв может осуществляться при запрограммированном повороте стола на 360, что обеспечивает эффективное
удаление стружки со всех сторон заготовки и палеты. При повороте палеты еще раз на 360° с них с помощью уже сжатого воздуха сдуваются СОЖ и остатки стружки.
б
Рис. 3.13. Схемы компоновки станков, обеспечивающие улучшение условий для удаления стружки:
а - с наклонным поворотным рабочим столом (фирма Bernhard Steinel, Германия): 1 - заготовка (деталь); 2 - поворотный стол с углом наклона оси 45°; 3 - заготовка; 4 — шпиндель с инструментом; б - с вертикальным поворотным рабочим столом (фирма Tsugami, Япония): 1 - консольный рабочий стол; 2 - поворотный рабочий стол; 3 - шпиндельная бабка;
4 - механизм смены инструмента
Рис. 3.14. Многоцелевой станок с защитной кабиной: / - смотровые окна; 2 - защитная кабина; 3 - станок
При наличии ограждения и средств мойки и обдува обработанных заготовок на многоцелевом станке нет необходимости в оснащении ГПМ и ГПЯ специальными моечными машинами. Это особенно важно, когда обработанные заготовки автоматически передаются непосредственно со станка на станок и наличие на них стружки недопустимо по условиям обработки. Кроме того, без удаления стружки и СОЖ заготовка не может быть измерена или измеряется с погрешностью.
При работе на многоцелевых станках, имеющих вращающиеся инструментальные магазины часто большой вместимости и, следовательно, больших габаритных размеров, автоматическую смену инструментов в шпинделе станка, устройства автоматической смены заготовок и деталей, необходимо особенно тщательно соблюдать правила техники безопасности. Поэтому при выборе компоновки и конструкции многоцелевого станка и, в частности, инструментального магазина и устройств смены инструмента и заготовок следует предусматривать расположение магазина выше возможной зоны контакта с обслуживающим персоналом. При этом необходимо исходить из требования минимизации расстояния между магазином и шпиндельной бабкой и расположения траектории движения инструмента из магазина в шпиндель станка как можно более удаленной от возможной зоны контакта с оператором.
В том случае, когда на станке применяется в качестве инструментального магазина цепной конвейер, следует предусматривать установку щитовых ограждений.
Дисковой инструментальный магазин следует располагать таким образом, чтобы перемещение инструмента из магазина в шпиндель не угрожало оператору, обслуживающему станок.
Когда существует зона возможного контакта инструмента с обслуживающим персоналом, то, помимо ограждений, вводят дополнительные блокировочные устройства, не позволяющие работать на станке при открытых щитковых заграждениях. В особых случаях для обеспечения безопасности персонала применяют защитные решетки.
Оптимальным можно считать вариант, при котором создаются комбинированные ограждающие устройства, предохраняющие оператора от стружки и СОЖ, которые попадают из зоны резания, а также от возможного контакта с инструментом в процессе резания и его смены.
Токарные многоцелевые станки, на основе которых строятся ГПМ (РТК) и ГПЯ, должны, как и ранее рассмотренные многоцелевые станки, иметь высокий уровень автоматизации (включая автоматический контроль обрабатываемых деталей, контроль износа и поломки инструмента, адаптивное управление и диагностирование как системы управления, так и узлов станка) и широкие технологические возможности для комплексного изготовления деталей широкой номенклатуры.
На этих станках, как правило, необходима обработка заготовки в продольном направлении с правой и левой стороны, перпендикулярно оси вращения и дополнительно - под любым углом (рис. 3.15). При этом выполняются следующие операции обработки: обтачивание, подрезание, снятие фасок, отрезание; сверление, зенкерование, растачивание, развертывание отверстий; нарезание резьбы метчиком, плашкой, резцом и гребенкой, накатывание (осевое и ради-
Рис. 3.15. Схема перемещения инструмента и заготовки в токарном многоцелевом станке:
«и»	- частота вращения соответственно
инструмента и шпинделя
Рис. 3.16. Рабочая зона токарного многоцелевого станка:
1 - первая револьверная головка; 2 - первый шпиндель; 3 - вторая револьверная головка; 4 - второй шпиндель
альное) резьбы; фрезерование резьбы, пазов, сложных контуров, обработки концевой и дисковой фрезой и др.
При этом часто необходимо производить на этом же станке обработку заготовки и со стороны ее отрезания. Все это требует такого конструктивно-компоновочного решения токарных многоцелевых станков, чтобы была возможность разместить большое количество разнообразного режущего инструмента, вести обработку вращающимся инструментом.
При обработке внецентровых отверстий и фрезерования различных пазов необходим управляемый поворот шпинделя с заготовкой относительно режущего инструмента. Исходя из этого в современных токарных многоцелевых станках, как правило, предусмотрены две (а иногда и три) револьверные головки с разной компоновкой. В позициях револьверных головок устанавливаются вращающиеся инструменты, а узел шпинделя оснащается при необходимости круговой управляемой координатой С, позволяющей либо поворачивать шпиндель с заготовкой на заданный угол (что необходимо при обработке внецентровых отверстий), либо обеспечивать непрерывное управляемое вращение (при фрезеровании пазов на заготовке).
Применение на ряде станков второго шпинделя (рис. 3.16), установленного вместо задней бабки или размещенного в револьверной головке, позволяет выполнять необходимые операции обработки заготовки со стороны отрезки (рис. 3.17).
Токарные многоцелевые станки оснащают современными системами ЧПУ, обеспечивающими управление по четырем координатам перемещения двух крестовых суппортов, по круговой координате С шпинделя. Система ЧПУ, имея большой объем памяти, хранит необходимое количество управляющих программ, осуществляет контроль заготовки и детали непосредственно на станке с помощью измерительного щупа, установленного в одной из позиций револьверной головки, контроль износа и поломки режущих инструментов, их дальнейшую замену при наличии инструментального магазина, адаптивное управление обработкой и диагностирование.
Для проведения автоматизированной переналадки станка при его работе в составе РТК в зажимном патроне предусматривают сменные кулачки, замена которых производится из магазина сменных кулачков с помощью промышленного робота.
Для смены режущих инструментов в револьверной головке в автоматизированном режиме на ряде станков устанавливают инструментальные магазины с промышленным роботом.
Рис. 3.17. Последовательность переходов обработки заготовки (I-V) с применением двух шпинделей:
1 - первая револьверная головка; 2 - первый шпиндель станка; 3 - обрабатываемая заготовка; 4 - вторая револьверная головка; 5 - второй шпиндель
В большинстве случаев в РТК применяют портальные промышленные роботы (рис. 3.18) и реже - приставные.
Рис. 3.18. Схема компоновки роботизированного технологического комплекса:
1 - стеллаж с режущим инструментом; 2 - стеллаж с заготовками; 3 - стеллаж с деталями;
4 - портальный промышленный робот; 5 - токарный многоцелевой станок
При разработке РТК и токарных многоцелевых станков также широко применяется модульный принцип их построения. На рис. 3.19 показан набор модулей для построения токарных многоцелевых станков фирмы Voest-Alpine (Австрия).
Рис. 3.19. Набор модулей для построения токарных многоцелевых станков:
1 - главный привод с зубчатым перебором; 2 - привод по координате С (см. рис. 3.15); 3 - устройство позиционирования шпинделя; 4 - главный привод с ременной передачей; 5 - шпиндель; 6 - зажим; 7 - измерительное устройство; 8, 10, 12 - суппорты люнетов; 9 - конвейер для транспортирования стружки; 11 - револьверная головка; 13 - крестовый суппорт; 14 - станина; 15, 16 - задние бабки; 17 - верхние крестовые суппорты; 18 - две револьверных головки; 19 - револьверная головка с инструментами с отдельным приводом; 20 - револьверная головка с измерительным щупом; 21 - устройство для смены инструмента; 22 - фрезерно-сверлильный блок; 23 — двойной крестовый суппорт
Рис. 3.20. Схема компоновки гибкого производственного модуля на базе зубофрезерного станка:
1 - станок; 2 - портальный промышленный робот; 3 - магазин захватов; 4 - инструментальный магазин; 5 - магазин приспособлений; 6 - магазин заготовок и деталей
В качестве базовых многоцелевых станков, применяемых в ГПМ, наряду с рассмотренными выше станками, применяют также шлифовальные, зубообрабатывающие и другие станки.
На рис. 3.20 показан пример схемы компоновки ГПМ, построенного на основе зубофрезерного станка фирмы Liebherr (Германия).
Таким образом, компоновка и конструкция многоцелевых станков, на базе которых строятся ГПМ, ГПЯ, ГПС и ГАЛ, должны производиться с учетом особенности работы этих станков в составе указанных станочных систем и в максимальной степени отвечать требованиям, предъявляемым к работе конкретной станочной системы в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматические линии в машиностроении: В 3-х т. Т. 1. Этапы проектирования и расчет: Справочник / Под ред. Л.И. Волчкевича. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.
2.	Аверьянов О.И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1987. - 232 с.
3.	Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Учебник-справочник: В 3-х т. Т. 2: Ч. 1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков / А.С. Проников, Е.И. Борисов, В.В. Бушуев и др.; под общей ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1995.-371 с.
Глава 4.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
4.1.	Анализ номенклатуры изготовляемых деталей и технологических процессов механической обработки
Рассматриваемые в подразделе вопросы входят в задачу предпроект-ного обследования производства.
На стадии комплексного предпроектного обследования изучают вопросы, отражающие специфику производства и включающие следующие сведения: об изделиях, о средствах технологического оснащения; о производственных процессах и организации производства; исходную экономическую информацию; социальные предпосылки создания или реконструкции станочной системы. С этой целью исследуют изделия и технологические процессы, загрузку и использование оборудования, применяемую технологическую оснастку и режущий инструмент, организацию производства и труда, включая производственную и организационную структуру, уровень механизации и автоматизации производственных процессов, организацию обеспечения рабочих мест заготовками, инструментами и приспособлениями; механизацию и автоматизацию погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ; систему планирования, учета, диспетчирования и документооборота материальных и информационных потоков, систему технической подготовки производства, включая организацию разработки управляющих программ для систем ЧПУ.
В результате предпроектного анализа производства осуществляют: оценку технологических характеристик массива деталей; формирование структуры программы выпуска деталей; обоснование уровня автоматизации и выбор соответствующего вида станочной системы; разработку технической заявки и технического задания на проектирование станочной системы.
Структурная схема предпроектного анализа производства приведена на рис. 4.1.
К технологическим характеристикам множества деталей относятся данные, определяющие построение технологических процессов изготовления деталей, а также выбор основного технологического оборудования и оснастки: конфигурация, размеры, материалы, объем выпуска, параметры качества и др. На стадии предпроектного анализа эти данные систематизируют, чтобы определить рациональность конструкций деталей, оценить степень их применяемости, построить параметрические ряды, унифицировать детали и их элементы. Характеристики массива деталей должны отражать информацию о каждой детали или усредненную - по деталям-представителям, которые должны обладать конструктивным и технологическим подобием всему семейству деталей.
Все необходимые сведения представляют в виде карты (рис. 4.2). В карту заносят подробные данные, включая сведения об отдельных перехо-
Рис. 4.1. Структурная схема процесса предпроектного анализа производства
N детали			Кодовое обозначение							Наименование							Обозначение чертежа								
(1)			(2)							(3)							(V								
Габаритные размеры, мм									Масса, кг			Материал		Вид заготовки	(12)			Эскиз детали							
D			L		В		н		(3)			(Ю)		(11)		<		у А					W////M		—
																							L—	—		
(5)			(о)		(7)		(8)																777777777		
																									
Точность								Шероховатость								-с		> -С							
																				у			7///////М		
ITmin		КГ		IT		Кт					кш		Ra	кш											
																							W////M		
(а)		(п)		(15)		(16)		(17)			(18)		(19)	(20)											
0 /7 е раци и																									
N	Наименование					Toi		Кто			К		N	Наименование					Toi		Кто			к	
(21) 2	(22) 1 1 Фрезерная					(23)		(24)			(25)														
1“			1	1		
Годовая программа, шт	Число переходов	Средняя длительность переходов, мин	Станкоем-кость одной детали, ч	Станкоем-кость программы, ч	
(26)	(27)	(28)	(29)	(30)	
Рис. 4.2. Карта организационно-технологических характеристик деталей
дах механической обработки. Это необходимо для принятия обоснованных решений и формирования данных к следующим этапам проектирования.
Кодовое обозначение детали (графа 2) составляют по классификаторам ЕСВД и технологическому классификатору, согласно которым детали присваивается 20-позиционный код. На эскизе детали (графа 12) отражают
ее конструктивные особенности с указанием сторон, подлежащих обработке. Параметры точности и шероховатости задают в двух значениях - для поверхностей с наименьшим полем допуска 1Тмии (графа 13) и наименьшим параметром шероховатости R (графа 7), а также для поверхностей, имеющих наибольшую удельную станкоемкость в общей структуре стан-коемкости (IT и Ra в графе 15 и 19). Удельные станкоемкости для первого и второго значения определяются коэффициентами точности Кт и шероховатости Кш (графы 14, 16, 18, 20):
хе хе
Р" _ i If _ J
Т~Ъо' Ш'ЪО ’
где - основное время обработки z-й поверхности, с квалитетом IT; t^a - основное время обработки j-й поверхности с параметром шероховатости Ra ; YSo - суммарная станкоемкость обработки детали.
В графах 21-25 отражают структуру станкоемкости детали по составу и методам обработки (токарным, фрезерным, расточным и т.д.). Параметр Toi (графа 23) определяет суммарное основное время по каждому методу обработки, Кто- удельную станкоемкость, К - число переходов; Кт.о = То№о •
В графе 27 указывают общее число переходов, необходимое для изготовления детали. Графы 28-30 заполняют по ранее полученным данным.
При анализе номенклатуры деталей следует отразить статистические данные о размерных рядах, группах материалов, времени обработки каждым методом и т.д.
В процессе формирования структуры программы выпуска определяют перспективные планы, отражающие возможные изменения технологических характеристик деталей и объемов производства. Это дает возможность определять номенклатуру для обработки в проектируемой станочной системе. С этой целью создают группы экспертов из ведущих специалистов, которые дают характеристики номенклатуры и объемов выпускаемой продукции с прогнозами сроков ее обновления на достаточно длительный период времени (обычно от 2 до 6 лет). При этом необходимо рассчитать цикл ее обновления в последовательности.
Определяют общую станкоемкость механообработки в конкретном у-м году Т = Т^Тц , где I - индекс детали, выпускаемой или предполагаемой к /
выпуску.
К обновляемой продукции относят такую станкоемкость (объем выпуска), которой в (/+1)-м году не станет меньше, чем в j-м году, т.е.
Последовательность чисел	1, е„ >1 ука-
зывает на относительную долю обновления объемов продукции в сравнении с Л-м годом.
Циклом обновления для к-го года называют разность 1к = п—к+1, которая означает целое число лет, в течение которых произойдет полное обновление продукции относительно Л-го года.
Как правило, информация о характере производства продукции известна на ограниченный период. Поэтому, начиная с некоторого индекса j = /+1, построить последовательность не удается и, начиная с tj +1, циклы обновления рассчитать нельзя. При количественной оценке цикла обновления продукции в условиях данного предприятия может быть использовано среднее значение продолжительности цикла обновления t = ^\tk / f .
к=\
Создание новой станочной системы наиболее целесообразно, если за нормативный срок окупаемости (/) продукция обновится полностью по крайней мере один раз.
4.2.	Построение технологических процессов изготовления типовых деталей на станочных системах
Технические требования к корпусным деталям. К корпусным деталям предъявляют комплекс технических требований, определяемых в каждом конкретном случае, в первую очередь исходя из служебного назначения детали.
В зависимости от конструктивного исполнения и сложности к корпусным деталям предъявляют приведенные ниже технические требования, характеризующие различные параметры их геометрической точности.
1.	Точность геометрической формы плоских базирующих поверхностей. Она регламентируется как прямолинейность поверхности в заданном направлении на определенной длине и как плоскостность поверхности в пределах ее габаритов. Для поверхностей с габаритным размером до 500 мм отклонения от плоскостности и параллельности обычно 0,01-0,07 мм, а у ответственных корпусов - 0,002-0,005 мм.
2.	Отклонения относительного угла поворота плоских базирующих поверхностей. Предельные отклонения от параллельности или перпендикулярности одной плоской поверхности относительно другой 0,0315/200—0,1/200, а для деталей повышенной точности -0,003/200-0,01/200.
3.	Отклонение расстояния между двумя параллельными плоскостями. Для большинства деталей оно составляет 0,02-0,5 мм, а у корпусных деталей повышенной точности - 0,005-0,01 мм.
4.	Отклонение диаметров и формы отверстий. Диаметры главных отверстий, выполняющих в основном роль баз под подшипники, соответствуют 6 - 11-му квалитетам. Отклонения формы отверстий - некруг
лость в поперечном сечении и конусообразность или изогнутость в продольном ограничивают в пределах 1/5 - 1/2 допуска на диаметр отверстия.
5.Отклонение относительного углового положения осей отверстий. Отклонения от параллельности и перпендикулярности осей главных отверстий относительно плоских поверхностей 0,01/22...0,15/200, предельные угловые отклонения оси одного отверстия относительно оси другого - 0,005/200...0,1/200.
6. Отклонение расстояния от осей главных отверстий до базирующей плоскости для большинства деталей 0,02 - 0,5 мм. Отклонение расстояний между осями главных отверстий 0,01 - 0,15 мм. Отклонение от соосности отверстий 0,002 - 0,05 мм.
7.Параметр шероховатости плоских базирующих поверхностей = 2,5...0,63 мкм, параметр шероховатости поверхностей главных отверстий Ra - 1,25...0,16 мкм, а для ответственных деталей Ra < 0,08 мкм.
Приведенные параметры точности являются общими для всего многообразия различных по конструкции корпусных деталей машин. В большинстве случаев к определенной корпусной детали предъявляют технические требования на отдельные из названных параметров при конкретных значениях номинальных размеров и допустимых отклонениях.
Технологический процесс обработки резанием заготовок корпусных деталей. Структура и содержание технологического процесса обработки резанием заготовки корпусной детали зависит от ее конструктивного исполнения, геометрической формы, размеров, массы, вида заготовки, сложности предъявляемых технических требований и характера производства.
Для различных по конструкции и размерам корпусных деталей технологический процесс обработки резанием включает следующие основные этапы: черновую и чистовую обработку плоских поверхностей или плоскости и двух отверстий, используемых в дальнейшем в качестве технологических баз; обработку остальных наружных поверхностей; черновую и чистовую обработку главных отверстий; обработку мелких и резьбовых отверстий; отделочную обработку плоских поверхностей и главных отверстий; контроль точности изготовленной детали.
В зависимости от технических требований между этапами черновой и чистовой обработки заготовки может быть предусмотрено естественное или искусственное старение для снятия внутренних напряжений. Приведенные этапы являются общими, и построение технологических процессов обработки резанием заготовок различных корпусных деталей на разных станочных системах обычно охватывается этими этапами.
Следует отметить, что структура технологического процесса, осуществляемого на переналаживаемых автоматических линиях или на гибких производственных системах, отличается только организационно от обычного производства.
На автоматической линии заготовка, как правило, при единой схеме базирования перемещается с позиции на позицию, на которой установлен различный инструмент, причем число инструментов (переходов) в позиции
определяется из соображений надежности и синхронности. На гибкой производственной системе заготовка, как правило, при единой схеме базирования обрабатывается на одном-двух ТПМ, снабженных всем необходимым инструментом.
Выбор технологических баз и последовательность обработки. Выбор технологических баз основан на выявлении и анализе функционального назначения поверхностей детали и установлении соответствующих размерных связей, определяющих точность положения одних поверхностей детали относительно других. Выполнение такого анализа требует полного и четкого понимания служебного назначения детали. Анализ функционального назначения различных поверхностей детали и размерных связей между ними позволяет определить поверхности, относительно которых задано положение большинства других поверхностей, и выявить те, к которым предъявляют наиболее жесткие технические требования; необходимостью выполнения этих требований во многом определяются принимаемые решения.
Проведение такого анализа можно сделать наглядным и существенно облегчить путем построения графа связи поверхностей детали (рис. 4.3). Для этого поверхности детали обозначают индексами из определенных букв О, В, К, С и цифр, которые устанавливают функциональное назначение поверхности и ее номер. Буквы, входящие в индекс, соответственно обозначают поверхности основных баз - О, вспомогательных баз - В, крепежных и резьбовых отверстий - К, свободные поверхности детали, включая и необрабатываемые - С. Для поверхностей основных баз нумерацию делают в порядке уменьшения числа располагаемых на них опорных точек. Например, 01 - установочная база, 02 - направляющая или двойная опорная, 03 - опорная база. Цифры для остальных поверхностей обозначают последовательность их нумераций.
Рис. 4.3. Связь поверхностей корпусной детали: а - поверхность детали; б - граф связи поверхностей
Построение графа связи поверхностей начинают с нанесения узлов, обозначающих определенные поверхности детали. Затем узлы соединяют ребрами, которые обозначают наличие размерных и угловых связей между
соответствующими поверхностями детали. Размерные связи наносят штри-ховыми линиями, а угловые - сплошными со стрелкой, направление которой указывает на базу. На ребрах могут быть поставлены также номиналы и допуски на соответствующие размеры и относительные повороты поверхности детали.
На рис. 4.3, 4.4 показаны примеры построения графа связи поверхностей для корпуса механизма перемещения пиноли (см. рис. 4.3, а) и для корпуса сверлильной головки. В результате анализа приведенных связей установлено, что положение главных отверстий и других обрабатываемых поверхностей определяется по отношению к основным базам корпуса.
Рис. 4.4. Выбор технологических баз для корпуса сверлильной головки: а - задачи обработки; б - поверхности детали; в - граф связи поверхностей; г - базирование по основным базам; д - базирование по вспомогательной базе; е - технологические размерные цепи
Для скорейшего достижения точности детали в качестве технологических баз для выполнения большинства операций следует выбирать поверхности, от которых задано положение большинства других поверхностей. Обычно положение большинства поверхностей детали задают согласно служебному назначению относительно ее основных баз (см. рис. 4.3, 4.4). В соответствии с этим в качестве технологических баз для обработки большинства поверхностей выбирают, как правило, основные базы заготовки.
Для корпуса механизма перемещения пиноли (см. рис. 4.3) такими базами являются плоскость 01 и два отверстия 02, 03. Для корпуса сверлильной головки технологическими базами для большинства операций являются плоскость основания 01 и плоскости 02, 03, образующие координатный угол (см. рис. 4.4, б). Если при обработке отверстия в корпусе сверлильной головки в качестве установочной технологической базы взять противолежащую поверхность Р2 (рис. 4.4, б), то возникают более длинные технологические размерные цепи. Точность параметров Рд, определяющих положение отверстия относительно плоскости 01, в этом случае будет зависеть от точности, получаемой на двух операциях - при обработке
плоскости р2 и при растачивании отверстия (рис. ч.ч, еу	- п2,
Рд = Pi + Рг ’ ®£д =	+ ®д2 ’ ®₽д = ®Р| + ®р2 •
Так как необходимо получить дБ = 0,1, 5Pi= 0,03/300, следует ужесточить допуски на межоперационные размеры, мм: 5^ = 0,07; 8Л. = 0,03; 5» =0,015/300;	=0,015/300; 5К =0,07 + 0,03 = 0,1;	=0,015/300 +
+ 0,015/300 = 0,03/300. Однако выполнить это не всегда представляется возможным. Необходимо стремиться к тому, чтобы на основе принципа единства баз наиболее ответственные параметры точности детали с жесткими допусками получались при обработке как замыкающие звенья системы станок - приспособление - инструмент -заготовка одного станка.
Использование на операциях обработки резанием основных баз в качестве технологических, а затем в процессе контроля - в качестве измерительных свидетельствует о наиболее полном соблюдении принципа единства баз.
Рассмотрим задачи выбора технологических баз на примере обработки корпуса электродвигателя (рис. 4.5). В результате обработки, требуется обеспечить точность положения главного отверстия - требуемое расстояние А и отклонение X от параллельности оси отверстия по отношению к основанию (рис. 4.5, а). Необходимо обеспечить также симметричное расположение отверстия относительно наружного контура (В = 0, Зя = + 0,5 мм) и требуемый размер полки Б. Обработку заготовки корпуса предполагается выполнять на многоцелевых станках.
Рис. 4.5.Выбор технологических баз для обработки заготовки корпуса электродвигателя: а - задачи обработки; б - эскиз заготовки, ось 1 размечается при варианте /; в - базирование по варианту /; г - базирование по варианту //; д - решение задач при базировании по вариантам I и II; 1 - ось симметрии корпуса; 2 - ось отверстия
В качестве технологических баз для обработки большинства поверхностей детали примем плоскость основания, которая является основной базой корпуса, и два отверстия с перпендикулярными к ней осями (рис. 4.5, в, г). Такой выбор объясняется тем, что большинство поверхностей корпуса, включая главные и резьбовые отверстия поверхности торцов и полки, связаны размерами и относительными поворотами с плоскостью основания, геометрические параметры которой отвечают требованиям установочной базы. Это означает, что достижение важных показателей точности с особо жесткими техническими требованиями обеспечивают наиболее короткие технологические размерные цепи. Размер А и угол X получаем как замыкающие звенья системы станок - приспособление - инструмент - заготовка на сверлильно-расточной операции 2. Их точность будет зависеть только от выполнения данной операции: А = Ал; X = X д; соА = соЛд; С0р = сорд. В качестве технологических баз на операции 7 примем:
по варианту I: поверхность полок - установочная база, плоскость симметрии корпуса - направляющая база, поверхность торца - опорная база (см. рис. 4.5, в);
по варианту II: боковая поверхность корпуса - установочная база, поверхность головки - направляющая база, поверхность торца - опорная база (см. рис. 4.5, г).
Базирование заготовки по скрытой направляющей базе на операции 7 (вариант 7) можно осуществить путем использования самоцентрирующего приспособления или с помощью подпружиненной (плавающей) призмы, а также путем установки заготовки по разметке.
Выбор технологических баз на операции 7 определяет решение задачи симметричного расположения отверстия относительно наружного контура и получение требуемого размера полки. Первая из этих задач решается с помощью размерной цепи с замыкающим звеном 2?д, которое определяет смещение оси обработанного отверстия относительно плоскости симметрии корпуса. Это смещение проявляется после выполнения сверлильнорасточной операции 2. Используя изложенную выше методику, построим технологические размерные цепи, определяющие решение рассматриваемой задачи при базировании по двум вариантам (рис. 4.5, д):
по варианту I: В& - Вх-В2\ по варианту II: В& = В{ - В2+ В'3. При варианте II технологическая размерная цепь длиннее и включает звенья с большими отклонениями, в цепь входит размер заготовки.
Погрешности на замыкающих звеньях при расчете по методу максимума-минимума следующие: соВд =coBj +о>в2;	4-сов,.
Подставив в полученные выражения значения полей рассеяния, получим, мм: соВд = 0,4 + 0,2 = 0,6;	= 0,8 + 0,5 + 0,2 = 1,5.
Размер полки Б получают в результате фрезерования плоскости основания на операции 7. Базирование на операции 7 по варианту I обеспечива
ет получение размера полки самым коротким путем как замыкающего звена системы станок - приспособление - инструмент - заготовка: Б =
оз Б =	~ 0’3 мм-
При базировании по варианту II имеет место трехзвенная технологическая цепь, куда входят также размеры заготовки Б[ = К, Б2 = Н , Б= Б[- Б'2 + Б'3. В результате поле рассеяния замыкающего звена получается значительно большее, чем при варианте Г. > со£д;
= со£, + со5, + со^,; при со^ = 0,6 + 1,4 + 0,5 = 2,5 мм.
Приведенный анализ показывает, что для достижения поставленных технологических задач обработки заготовки корпуса электродвигателя предпочтительным является базирование деталей по варианту I.
Обработка наружных плоскостей корпусных деталей. Наружные поверхности корпусных деталей обрабатывают фрезерованием, строганием, точением, шлифованием и протягиванием. Фрезование является наиболее распространенным методом обработки наружных поверхностей корпусных деталей. Высокая производительность, получаемая вследствие непрерывности процесса резания, позволяет эффективно использовать этот метод для обработки корпусов в условиях единичного, серийного и массового производств.
В зависимости от характера производства и габаритных размеров деталей обработку выполняют на универсально-фрезерных станках с ЧПУ с вертикальным и горизонтальным расположением шпинделей, на многоцелевых станках в составе ГПС, на агрегатных и специальных станках в составе автоматических линий. Параметры точности детали, достигаемые при различных методах обработки, приведены в табл. 4.1.
Обработка главных отверстий является обычно трудоемким и ответственным этапом технологического процесса изготовления корпусных деталей, который обеспечивает достижение комплекса наиболее жестких технических требований, определяющих в целом параметры геометрической точности отверстий и точность их положения относительно плоских поверхностей или других отверстий детали.
Главные отверстия обрабатывают на расточных, координатнорасточных, сверлильных, агрегатных и других станках, включая станки с ЧПУ и многоцелевые станки в составе ГПС.
При выполнении технологического процесса требуемые параметры точности главных отверстий достигаются путем последовательного уточнения каждого из показателей. Это означает выработанное практикой разделение процесса обработки главных отверстий на этапы черновой, чистовой и финишной обработки. В процессе черновой обработки снимают основной припуск металла, обеспечивая при этом точность положения отверстий относительно базы и равномерность припуска под чистовую обработку. В результате чистовой обработки достигаются требуемые точность размеров, точность геометрической формы и относительного положения
4.1 Точность корпусных деталей, получаемая при обработке плоских поверхностей различными способами
Обработка	Ra’ МКМ	Степень точности	Точность угловых размеров относительно установочной базы, мм		Квалитет
			Отклонение от параллельности*	Отклонение от перпендикулярности*	
Фрезерование торцовой фрезой: черновое	6,3-12,5	9-12	0,08	0,12	12-14
чистовое	3,2-6,3	6—8	0,05	0,07	10-11
тонкое	0,8-1,6	4-5	0,03	0,03	8-9 (7)
Строгание: черновое	12,5-25	9-11	0,07	0,1	12-14
чистовое	3,2-6,3	7-8	0,04	0,06	11-13
тонкое	0,8-1,6	5-6	0,02	0,02	8-10 (7)
Торцовое точение: черновое	6,3-12,5	9-12	0,1	—	14-15
чистовое	3,2-5	7-8	0,05	—	11-13
тонкое	0,8-1,6	5-6	0,03	—	8-10 (7)
Протягивание: получистовое	6,3	9-10	0,07	0,08	8-9
чистовое	0,8-3.2	7-8	0,04	0,05	7-8
отделочное	0,2-0,4	5-6	0,02	0,02	7
Плоское шлифование: получистовое	3,2	7-8	0,040	0,06	8-11
чистовое	0,8-1,6	5-6	0,020	0,03	6-8
тонкое	0,2-0,4 (0,1)	3-Л	0,007	0,01	6-7
* Отклонения указаны на длине 300 мм.
Примечание. В скобках указаны достижимые значения параметров.
отверстия. Особенно важным при этом является обеспечение требуемой прямолинейности оси отверстия и точности его относительного положения.
Финишную обработку применяют при необходимости достижения повышенных требований к точности размера, геометрической формы и шероховатости поверхности обрабатываемого отверстия.
Отверстия в корпусных деталях обрабатывают с использованием различного режущего инструмента: сверл, зенкеров, резцов, расточных головок, разверток, расточных пластин. Для отделочной обработки применяют тонкое растачивание, шлифование, хонингование, а также пластическое деформирование с помощью различных раскаток.
В условиях серийного производства с целью повышения производительности путем концентрации переходов и сокращения машинного и вспомогательного времени широко применяют комбинированный инструмент. При одном продольном перемещении комбинированный инструмент позволяет выполнять черновую и чистовую обработку поверхностей, совмещая при этом различные виды обработки (сверление, растачивание, подрезку торца, развертывание, рис. 4.6.)
Для обработки главных отверстий в корпусных деталях широко применяют горизонтально-расточные и координатно-расточные станки с ЧПУ.
Рис. 4.6. Схема обработки двух основных отверстий комбинированным инструментом: 1,2- резцовые блоки для черновой и числовой обработки отверстия соответственно; 3 - резцовый блок для подрезания торца; 4, 5- резцовые блоки для черновой и чистовой обработки отверстия соответственно; 6 - резец для снятия фаски
В крупносерийном и массовом производствах для одновременной обработки в корпусных деталях различных отверстий применяют агрегатнорасточные станки. Агрегатные станки могут работать автономно или в составе автоматических линий для изготовления корпусных деталей. Агрегатные станки создают из унифицированных узлов. В зависимости от решаемых технологических задач они могут иметь различные компоновки -с горизонтальным, наклонным или вертикальным расположением шпинделей, с неподвижными и подвижными столами.
На рис. 4.7 показан пример обработки отверстий в корпусной детали на трехстороннем агрегатно-расточном станке. Вначале с помощью двухшпиндельной головки обрабатываются отверстия диаметром 35 мм (рис. 4.7, а), а затем с двух противоположных сторон - отверстия диаметром 20, 30, 60 мм, кроме того, подрезается торец со стороны отверстия диаметром 30 мм (рис. 4.7, б).
Агрегатные станки, как правило, являются специальными, их создают для изготовления определенных деталей в больших количествах. Поэтому применение таких станков требует экономических расчетов.
Обработка крепежных и других отверстий. Крепежные и другие мелкие отверстия в корпусных деталях под пробки, маслоуказатели или для подачи смазочного материала обрабатывают на вертикально-сверлильных, радиально-сверлильных, горизонтально-расточных или агрегатных станках, а также на многоцелевых станках. При этом с помощью соответствующего инструмента выполняют такие переходы, как сверление, зенкерование, развертывание, центрование, снятие фасок, нарезание резьбы.
В серийном производстве на сверлильных станках применяют быс-тропереналаживаемые многошпиндельные головки с регулируемым межцентровым расстоянием (рис. 4.8). С помощью этих головок обеспечивается параллельная обработка нескольких отверстий, расположенных в одной плоскости. Конструкция таких головок позволяет изменять число одновременно работающих сверл и регулировать в определенных пределах
Рис. 4.7. Схема одновременной обработки отверстий в корпусной детали на многошпиндельном агрегатном станке
Рис. 4.8. Переналаживаемая многошпиндельная головка
межцентровые расстояния. В крупносерийном и массовом производстве мелкие отверстия обрабатывают на многошпиндельных и агрегатных станках, имеющих различные компоновки. Сверление отверстий в корпусе и последующее нарезание резьбы можно производить на двух агрегатных станках или на одном многошпиндельном станке.
В автоматизированном средне- и мелкосерийном производствах для одновременной обработки группы отверстий применяют многоцелевые станки со сменными многошпиндельными головками (рис. 4.9). На поворотной головке 1 расположены шесть
J
Рис. 4.9. Многоцелевой станок с набором сменных многошпиндельных головок: 7 - шестипозиционная поворотная головка; 2- позиция установа и съема многошпиндельных головок; 3 - многошпиндельные головки; 4 - рабочая позиция;
5 - рабочий стол станка
различных многошпиндельных головок 3, предназначенных для обработки определенных заготовок. Для выполнения обработки требуемая головка выводится в рабочую позицию 4. Автоматическая замена многошпиндельных головок осуществляется на позиции 2. Для получения резьбовых отверстий на одной из сторон корпусной детали требуется две многошпиндельные головки, на одной из которых располагаются сверла, а на второй -метчики. Такие станки могут быть эффективно использованы как в ГПС, так и в виде отдельного оборудования.
Отделочные операции обработки главных отверстий. Для получения в корпусных деталях отверстий высокой точности (6-7-го квалитетов) на заключительном этапе технологического процесса вводят отделочные операции: развертывание, тонкое растачивание, планетарное шлифование, хонингование, раскатку роликами, а в отдельных случаях притирку и шабрение. Выбор необходимого метода обработки зависит от требований к точности, определяемых назначением детали. Например, для окончательной обработки отверстий под пиноль задней бабки или отверстий в блоках цилиндров двигателей и компрессоров, где требуется достижение повышенных требований к шероховатости поверхности, применяют хонингование. А для отверстий в шпиндельных коробках или корпусах, где требуется достижение высокой точности относительного положения отверстий, применяют тонкое растачивание и планетарное шлифование. При необходимости получения на поверхности отверстия упрочнения применяют раскатку роликами с целью уменьшения изнашивания поверхностного слоя.
оо
Детали типа тел вращения.
Служебное назначение, технические требования, заготовки. Объединяющим признаком их является то, что они образованы в основном наружными, внутренними, и торцовыми поверхностями, имеющими общую ось вращения. Поэтому при обработке таких деталей, кроме общей задачи получения заданных размеров, необходимо решение технологической задачи обеспечения соосности поверхностей и точного расположения торцов относительно оси детали.
При изготовлении деталей типа тел вращения превалирует токарная обработка. Указанные требования обеспечиваются следующими способами установки и обработки заготовок на токарных станках; обработка соосных поверхностей с одной установки; обработка за два установа сначала наружных, а затем внутренних поверхностей с базированием детали по наружной поверхности; обработка за два установа сначала внутренней, а затем наружной поверхности о базированием по внутренней поверхности (обработка от отверстия).
Наиболее характерными деталями типа тел вращения являются валы, шпиндели, фланцы. Валы используют для передачи крутящего момента или в качестве опор. Наиболее трудоемки в изготовлении ступенчатые валы, имеющие шейки под подшипники и зубчатые колеса, шпоночные канавки, шлицевые, резьбовые поверхности.
К валам обычно предъявляют следующие требования: 1) точность сопрягаемых цилиндрических поверхностей по 6...8-му квалитетам с параметрами шероховатости поверхности Ra= 1,25...0,63 мкм и 7?о = 2,5... 1,25 мкм; 2) допуск на цилиндричность и круглость шеек под подшипники примерно 0,25...0,5 допуска на диаметр; 3) допуск на радиальное биение шеек под зубчатые колеса относительно шеек под подшипники примерно 0,25...0,5 допуска на диаметр; 4) допуск на радиальное биение шеек под зубчатые колеса относительно шеек под подшипники 0,01...0,03 мм; 5) допуск на соосность шеек под подшипники 0,01...0,02 мм; 6) допуск на симметричность боковых сторон шпоночных канавок и зубьев шлицевых поверхностей относительно общей оси подшипниковых шеек 0,03...0,05 мм.
Заготовки для валов. Производительность механической обработки резанием во многом определяется маркой материала, размерами и конфигурацией заготовки, а также характером производства. В ряде случаев целесообразно применять комплексные заготовки (рис. 4.10). Из комплексной заготовки можно изготовить несколько различных деталей, близких по форме и размерам.
Заготовки валов перед обработкой должны подвергаться правке и термической обработке для улучшения обрабатываемости и снятия остаточных напряжений.
Технология изготовления деталей типа валов и фланцев. При разработке технологического процесса механической обработки вала целесообразно использовать типовые процессы, которые созданы на основе классификации валов.
Комплексная заготовка
комплексная деталь
Рис. 4.10. Схема образования комплексной заготовки ступенчатого вала с односторонним расположением ступеней
При одностороннем расположении ступеней и длине вала до 120 мм обработку выполняют из прутка на револьверных станках (рис. 4.11) или автоматах, осуществив до отрезания заготовки все черновые и чистовые переходы.
Полученные из прутка или штампованные заготовки ступенчатых валов длиной более 120 мм обрабатывают в центрах по следующему маршруту: 1) поочередная или одновременная обработка торцов заготовки; 2) сверление в торцах заготовки центровых отверстий; 3) предварительное обтачивание заготовки; 4) чистовое обтачивание заготовки; 5) предварительное шлифование шеек; 6) фрезерование шпоночных пазов и шлицев; 7) сверление отверстий (если предусмотрены в чертеже); 8) нарезание резьбы; 9) термическая обработка; 10) окончательное шлифование шеек; 11) контроль. В маршрут обработки нежестких валов включают дополнительные операции точения и шлифования шейки под люнет.
Рис. 4.11. Схема обработки вала на токарно-револьверном станке:
1 - подача прутка до упора; 2 - сверление центрового отверстия; 3,4- предварительное и чистовое обтачивание наружной поверхности; 5,6- предварительное и чистовое обтачивание шейки; 7 - прорезание канавки; 8 - отрезка
ЭЛ
ТПодрезание торцов и сверление центровых отверстии являются первыми технологическими переходами изготовления ступенчатых валов, на которых подготавливаются технологические базы для последующей обработки. В зависимости от масштаба выпуска эти переходы выполняют на различном оборудовании: центровальных, центровально-подрезных, фрезерно-центровальных, центровально-отрезных, универсальных токарных, фрезерных, сверлильных и других станках. У центровых отверстий должны быть соблюдены соосность, постоянство глубины, диаметра и конусности.
Обработку можно вести с последовательным или параллельнопоследовательным выполнением переходов. Как правило, совмещение переходов и применение станков для комплексной обработки во многих случаях рационально даже при небольшой загрузке станков (не менее 10 %). Кроме этого, двусторонние станки обеспечивают более высокую точность расположения торцов и центровых отверстий.
В единичном производстве указанные переходы выполняют в основном на универсальных токарных станках с ЧПУ. В серийном производстве обработку ведут на фрезерно-центровальных станках с установкой заготовки по наружному диаметру в призмы и в осевом направлении по упору (рис. 4.12). Подрезание торцов ведут раздельно от центрования на горизонтально- или продольно-фрезерных станках, а центрование - на одно- или двустороннем центровальном станке. На двусторонних центровальноподрезных станках (МР 179; 2931; 2932 и др.) возможно обтачивать концы валов, снимать фаски, сверлить и растачивать отверстия, нарезать резьбу. Это дает возможность во многих случаях обработать вал на токарном станке за один установ, так как наружная поверхность крайних шеек уже обработана. В крупносерийном и массовом производствах для фрезерования торцов и центрования применяют фрезерно-центровальные станки бара-
Рис. 4.12. Схема наладки фрезерно-центровального полуавтомата для обработки заготовки вала (а) и конструкция центровых отверстий (б)
банного типа (МР77, МР78), двусторонние торцефрезерные автоматы и двусторонние центровальные автоматы, которые можно встраивать в автоматические линии.
После термической обработки валов требования к точности центровых отверстий повышаются. Шлифование центровых отверстий на специальных станках (3922Е, 3922Р, МВ-119 и др.) обеспечивает отклонение от круглости не более 1...3 мкм, от прямолинейности не более 4...6 мкм, параметр шероховатости поверхности Ra < 0,63 мкм.
Обтачивание валов, В зависимости от объема выпуска наружные поверхности ступенчатых валов обтачивают на различном оборудовании. В мелко- и среднесерийном производстве применяют токарные станки обычного типа, станки с ЧПУ, токарные гидрокопировальные полуавтоматы, токарные станки, оборудованные гидрокопировальными суппортами. В крупносерийном и массовом производствах применяют токарные одно- и многошпиндельные вертикальные полуавтоматы и автоматы, горизонтальные многорезьбовые станки, гидрокопировальные полуавтоматы.
Рис. 4.13. Схема обтачивания заготовки вала на токарном станке с ЧПУ: 1-6- траектории движения резца при предварительных и чистовых рабочих ходах;
7 - заготовка; ИТ - исходная точка
В мелко- и среднесерийном производствах для обработки ступенчатых валов эффективно применение станков с ЧПУ, а при обработке сложных многоступенчатых заготовок, особенно с криволинейными поверхностями (рис. 4.13) - токарных станков с ЧПУ. Предварительная обработка (заготовка - прокат) выполняется за пять последовательных рабочих ходов (1...5), а чистовая (6) за один рабочий ход суппорта по окончательному контуру детали. Станки с ЧПУ работают в автоматическом цикле, что облегчает многостаночное обслуживание, позволяет выполнять простую и быструю их переналадку для обтачивания ступенчатых валов различных размеров по заранее разработанной управляющей программе (УП). Время обработки на токарных станках с ЧПУ сокращается по сравнению с обычными в 1,5...2 раза за счет уменьшения вспомогательного времени /в.
Обработка шлицевиЛипоночных пазов на валах. Шлицы нарезают фрезерованием, строганием, протягиванием и холодным накатыванием (в основном эвольвентные шлицы). Технологический процесс обработки шлицев зависит от метода центрирования шлицевого соединения и термической обработки. В серийном производстве шлицы нарезают на шлице-или зубофрезерных станках червячной фрезой методом обката за один или два рабочих хода в зависимости от требуемой точности. Для увеличения производительности используют многозаходные червячные фрезы. Технологическими базами обычно служат поверхности центровых отверстий.
Шпоночные пазы обрабатывают на горизонтально- и вертикально фрезерных станках. В серийном и массовом производствах для получения глухих шпоночных пазов применяют шпоночно-фрезерные полуавтоматы, работающие «маятниковым» методом: двузубая пальцевая фреза за один рабочий ход подается на глубину резания 0,2...0,3 мм и фрезерует паз на всю длину, затем снова подается на ту же глубину и фрезерует паз в другом направлении, и так до полной глубины паза. В крупносерийном и массовом производствах фрезерование осуществляется в многоместных приспособлениях комплектом фрез.
Нарезание резьбы на валах. В зависимости от типа производства внутренние резьбы на валах нарезают метчиками на сверлильных, револьверных, резьбонарезных, а также на агрегатных станках - полуавтоматах и автоматах. При нарезании глухих резьб пользуются самовыключающимися патронами для точной остановки движения подачи и вращения метчика. Наружные остроугольные резьбы нарезают плашками, резьбонарезными головками, резьбовыми резцами, гребенками и групповыми резьбовыми фрезами. В единичном и мелкосерийном производствах наружные резьбы нарезают на токарно-винторезных станках резьбовыми резцами или гребенками, обеспечивая 6...8-ю степень точности. Резьбы 4-й степени точности получают на прецизионных токарно-винторезных станках.
Нарезание резьбы плашками и резьбонарезными головками выполняют на револьверных, токарных, болтонарезных станках, а также на токарно-револьверных автоматах. В мелко- и среднесерийном производствах при требовании точности к резьбе не выше 7-й степени резьбу нарезают плашками. В крупносерийном и массовом производствах резьбы нарезают резьбонарезными головками, обеспечивающими 6-ю степень точности и повышение производительности по сравнению с нарезанием плашками в 2...4 раза. Плашки в головке могут быть плоскими и круглыми гребенчатыми; последние долговечнее.
Термическую обработку выполняют путем поверхностной закалки шеек с нагревом в индукторе ТВЧ, применяют также цементацию с последующей закалкой шеек или общую закалку вала.
Шлифование валов выполняют на круглошлифовальных и бесцентрово-шлифовальных станках, обеспечивая 6-й квалитет точности. Шейки валов шлифуют за две операции (или за два перехода): предварительное и чистовое шлифование. В качестве технологических баз при шлифовании валов на круглошлифовальных станках используют центровые отверстия и торец заготовки. Точность обработки во многом зависит от качества центровых отверстий. Поэтому перед шлифованием их подвергают правке шлифовальным конусным кругом.
Наиболее распространены два метода шлифования: осциллирующее (рис. 4.14, а) - для обработки поверхностей значительной протяженности, и врезное (рис. 4.14, б) - для обработки коротких шеек. Врезное шлифование (с поперечным движением подачи) характеризуется высокой производительностью, особенно при обработке набором кругов, когда одновременно шлифуются несколько шеек вала.
Рис. 4.14. Схемы шлифования валов:
а - осциллирующее; б - врезное; в - бесцентровое; 1 - шлифовальный круг; 2 - заготовка; 3 - опора; 4 - ведущий круг
Бесцентровое шлифование (рис. 4.14, в) применяют для обработки небольших валов, при этом обеспечивается точность по 6-8-му квалитетам. Шлифование выполняют с продольным и поперечным движениями подачи (врезанием). Заготовка 2 располагается выше осевой линии кругов на расстоянии h. Движение подачи заготовки вдоль оси обеспечивается посредством силы трения между нею и ведущим кругом 4 за счет его поворота на угол а = 1...450 относительно шлифовального круга 1.
Шейки с малыми параметрами шероховатости после шлифования подвергают суперфинишированию, обработке абразивной лентой, алмазному выглаживанию, а также обкатыванию роликами (для незакаленных заготовок).
Контроль валов. Диаметры, длины ступеней, размеры резьб, шлицев, шпоночных пазов проверяют предельными скобами, резьбовыми и шлицевыми кольцами. Для проверки отклонения от соосности шеек ступенчатый вал устанавливают базовыми шейками на призмы контрольного приспособления, а щупом индикатора касаются поверхности контролируемой шейки. Вал поворачивают вокруг оси и по разности показаний индикатора определяют биение шейки. Отклонение от параллельности шлицев или шпоночного паза оси вала определяют по разности показаний индикатора в двух крайних положениях, устанавливая вал на призмах или в центрах. Па
раметр шероховатости поверхности в основном контролируют, сравнивая его с эталонным. В крупносерийном и массовом производстве контроль валов выполняют многомерными приборами с индикаторами или электро-контактными датчиками.
Служебное назначение фланцев и технические требования к ним. Фланцы служат для ограничения осевого перемещения вала, расположенного на подшипниках в изделии (машине), за счет создания определенного натяга или гарантированного осевого зазора между торцом наружного кольца подшипника и торцом фланца. Фланцы также выполняют роль крышек отверстий под валы, создавая необходимое уплотнение.
Технические требования к фланцам: точность отверстий по 7...8-му квалитетам (поля допусков Н6, Н7, js7, К7 и другие под подшипники); точность наружных поверхностей, которыми базируются фланцы, 6-8-й квали-теты (Ь6, кб и др.); параметр шероховатости Ra= 1,25...2,5 мкм; допуск на цилиндричность и круглость поверхностей под подшипники 0,01...0,02 мм; допуск на соосность внутренних и наружных цилиндрических поверхностей 0,01...0,03 мм; допуск на торцовое биение (допуск перпендикулярности торца) относительно оси отверстия (наружной цилиндрической поверхности) 0,03...0,05 мм.
Технологический процесс обработки фланцев разрабатывают на базе типовых технологических процессов (операций) (табл. 4.2). В зависимости от технических требований, вида и материала заготовки фланцы подвергают термической обработке (отжигу).
Технологический процесс механической обработки резанием во многом определяется серийностью производства, В качестве технологических баз следует использовать основные поверхности. Использование с этой целью технологических баз других поверхностей оправданно в том случае, когда основные поверхности не могут быть взяты в качестве технологических баз по разным причинам (трудность установки и закрепления, малые габаритные размеры и др.).
Токарную обработку фланцев в крупносерийном производстве выполняют на многошпиндельных вертикальных токарных полуавтоматах 1К282 и 1К284, на которых возможна полная токарная обработка всех поверхностей (с двумя загрузочными позициями и переустановкой заготовки после ее обработки с одной стороны), и сверление крепежных отверстий. Обработка отверстий может быть выполнена на вертикально-сверлильном станке многошпиндельными головками, а также на агрегатно-сверлильном станке.
Крепежные отверстия обрабатывают на вертикально- и радиальносверлильных станках с ручным управлением и с ЧПУ.
Для фрезерования лысок используют фрезерные станки различных типов. Применяют различные универсальные и специальные приспособления с базированием заготовки по посадочному поясу, торцу фланца и крепежному отверстию. В зависимости от технических требований поверхности цилиндрического пояска и торцов могут подвергаться шлифованию.
Типовой технологический процесс обработки заготовки для типа фланцев. Деталь - фланец (рис. 4.15); материал - сталь, производство - серийное, заготовка — штамповка с отверстием.
4.2. Типовые технологические процессы (операции) обра отки соосных отверстий
Обрабатываемый элемент или техническое требование	Квали-тет точности	Ra’ ММ	Степень точности	Технологический процесс обработки
Отверстия диаметром до 30 мм в сплошном мате-риале	11 и грубее	25 и грубее	—	Сверление или растачивание
	10и грубее	2,5 и грубее	—	Сверление и растачивание или зенкерование
	8-9	6,3-1,6	—	Сверление, растачивание и развертывание
	7	1,6-0,4	—	Сверление, зенкерование (растачивание), двукратное развертывание или сверление растачивание и внутреннее шлифование (закаленных деталей)
Отверстия диаметром более 30 мм, отлитые или штампованные	10и грубее	12,5 и грубее	—	Растачивание или зенкерование
	9	3,2	—	Двукратное растачивание или зенкерование
	8	1,6	—	Двукратное зенкерование или растачивание и однократное развертывание. Зенкерование и протягивание. Протягивание.
	7	0,8-0,3	—	Черновое зенкерование (растачивание), чистовое зенкерование (растачивание), двукратное развертывание. Зенкерование и протягивание. Протягивание без предварительной обработки. Черновое растачивание с последующим внутренним шлифованием.
Обеспечить соосность отверстия и наружной поверхности, перпендикулярность торца	10	12,5 и грубее		С одного установа расточка или зенкерование отверстия и обточка наружной поверхности и торца.
То же	8-9	3,2-1,6	—	С одного установа расточка отверстия с последующим развертыванием. Окончательное точение наружной поверхности и торца. Шлифовка с одного установа отверстия, а наружной поверхности и торца - после токарной обработки.
	9-10	3,2-1,6		
66	7	0,8-0,4	5-7	
	8	0,4-0,2	—	
		0,8-0,4	6	
66	7	0,8-0,4	—	С двух установов: 1) в патроне обработка отверстия двукратным развертыванием или внутренним шлифованием, одновременно шлифовка торца или протяжка отверстия; 2) на оправке с использованием отверстия заготовки в качестве базы шлифовка наружной поверхности и торца.
		0,4-0,2	5-7	
	6	0,8-0,4		
Операция 005 токарная с программным управлением. Обработка отверстия диаметром 62js7, 58, 54К7, наружной поверхности диаметром 120 мм; протачивание пояска диаметром 64 и 78 мм; снятие двух фасок и обработка торца диаметром 120 мм окончательно; обработка торца диаметром 120x80 мм с припуском на шлифование. Станок токарный с программным управлением 16К20Т. Приспособление - патрон самоцен-трирующий трехкулачковый с пневмоприводом. Базирование по поверхности диаметром 80 мм и торцу. Режущие инструменты - контурный, расточный и прорезной резцы, оснащенные пластинами из твердого сплава
0,01
0,01
<£Ю
Зотв
07J Зотв.
во
Неуказанные превель-ные отклонения размеров: валов h /4 ; отверстий НЮ ; остальных± JT1P-/2
Рис. 4.15. Фланец

Т14К8; зенкеры диаметром 53,8; 61,8 мм; развертки диаметром 53,93; 54; 61,93; 62 мм, оснащенные пластинами из твердого сплава Т14К8 и ТЗОК4. Измерительные инструменты: индикаторные нутрометры с диапазоном измерения 50...75 мм, цена деления индикатора 0,001 или 0,01 мм; штангенциркуль ШЦ1, диапазон измерения 150 мм, цена деления нониуса 0,1 мм; калибры, пробки 54К7 и 62Js7 и др.
Операция 010 токарная гидрокопировальная. Точить поверхность диаметром 80f7, 80h6 с припуском на шлифование, торец диаметром 80 мм и фаску окончательно. Станок - токарный гидрокопироваль-ный полуавтомат 1Н713. Приспособление - оправка и поводковый патрон. Базирование по отверстиям диаметром 62Js7 и 54К7 и торцу. Режущий инструмент - резцы, оснащенные пластинами из твердого сплава Т14К8. Измерительный инструмент - штангенциркуль ШЦ1, диапазон измерения 150 мм, цена деления нониуса 0,1 мм.
Операция 015 вертикально-сверлильная. Сверлить три отверстия диаметром 10 и 13 мм. Станок вертикально-сверлильный 2Н118. Приспособление - переналаживаемый кондуктор с пневмоприводом. Базирование по отверстию диаметром 54К7 и торцу. Режущий инструмент -комбинированное сверло диаметром 10 и 13 мм, материал режущей части Р6М5. Измерительный инструмент - штангенциркуль ШЦ1.
Операция 020 круглошлифовальная. Шлифовать поверхности диаметром 80f7, 80h6 и торец диаметром 80 и 120 мм окончательно. Станок круглошлифовальный ЗК12. Приспособления - оправка и поводковое устройство. Базирование по отверстиям диаметром 62Js7 и 54К7. Измерительный инструмент - рычажная скоба с диапазоном измерения 75... 100 мм и ценой деления шкалы 0,002 мм для наладки; калибры - скобы 80f7 и 80h6 для работы.
В ряде случаев технологический процесс предусматривает предварительную обработку всех поверхностей. Эти операции выполняются до операции 005 приведенного выше технологического процесса. Дальнейшую обработку можно выполнять в соответствии с типовым технологическим процессом.
4.3. Разработка технологического процесса и выбор структуры станочной системы
Разработка технологического процесса изготовления деталей
Разработка технологического процесса изготовления деталей - это сложная комплексная задача. Требуется найти оптимальный для данных производственных условий вариант перехода от полуфабриката (заготовки) к готовой детали, отвечающей всем требованиям ее служебного назначения.
Разработка технологического процесса сводится к выбору его структуры (определение метода получения заготовки, технологических баз и последовательной обработки поверхностей детали, состава технологического оборудования и др.) и параметров (режима обработки, рабочих настроечных размеров, периодов стойкости инструмента и др.). Так как нас интересует задача выбора технологического оборудования, то мы ограничимся рассмотрением задачи выбора структуры технологического процесса.
На структуру технологического процесса влияют следующие факторы: конструкция детали; вид и характеристики заготовки; организационнотехнические факторы (программа, срок ввода объекта в производство и др.); факторы, связанные с технологией цехов-смежников.
Перечисленные факторы являются первичной информацией, которая необходима для того, чтобы технолог мог приступить к проработке возможных вариантов технологического процесса. При проработке вариантов изготовления той или иной детали, естественно, перед технологом-проектантом не только стоит задача учета всех вышеперечисленных факторов, но и возникают свои специфические задачи. Например, в зависимости от условий процесс должен отвечать следующим требованиям: минимум расхода металла на деталь, синхронизация операций по штучному времени, минимальные транспортные перемещения детали и др.
Порядок проектирования технологического процесса обычно декомпозируем на ряд этапов. Последовательность и содержание этих этапов покажем на примере методики проектирования технологического процесса механической обработки.
На первом этапе - выборе метода получения заготовки мы располагаем следующей информацией: чертежом детали; материалом; годовой про
граммой и общим выпуском по неизменяемым чертежам. Этой информации недостаточно для принятия однозначного решения. Например, заготовка корпуса редуктора может быть получена литьем в формовочную смесь, в кокиль, в оболочковую форму, под давлением, по выплавляемым моделям и др. Заготовка вала может быть: из прутка, поковки, штамповка, изготовленная на горизонтально-ковочной машине. Поэтому для правильного выбора способа получения заготовки нужно рассматривать комплексно процесс получения заготовки и процесс дальнейшей ее механической обработки. При сравнении вариантов технологического процесса критерием должны быть затраты не на изготовление заготовки или на механическую обработку, а на изготовление детали.
Таким образом, на этом этапе мы фактически имеем некоторое множество методов получения заготовки, каждый из которых характеризуется точностью и стоимостью.
Вторым этапом является установление параметров точности каждой поверхности. Это можно сделать сразу только в отношении параметра шероховатости поверхности. В отношении размеров, не зная базирования по технологическому процессу и схемы простановки размеров на чертеже заготовки, этого сделать нельзя. Исключение составляют замкнутые поверхности и поверхности типа пазов и канавок.
Содержание третьего этапа следующее: наметить последовательность обработки поверхности детали; выявить возможность их одновременной обработки и наметить технологические базы.
Большинство правил и принципов, на которых базируется порядок проектирования технологического процесса в отношении последовательности и баз, носит геометрический характер. Но использования одних геометрических принципов при проектировании технологических процессов недостаточно. Необходимо учитывать экономическую сторону вопросов.
После того, как намечен вариант базирования по всей последовательности операций, можно снова вернуться к вопросу об уточнениях, или, иными словами, о количестве обработок каждой поверхности. Можно построить технологические размерные цепи 2-го рода с замыкающими звеньями - размерами чертежа детали.
Каждое составляющее звено этих цепей есть результат уточнения некоторого размера - либо размера заготовки, либо операционного размера, либо их комбинации. Так как суммарная погрешность звеньев, составляющих размерную цепь, не должна превышать допуска на замыкающее звено - размер чертежа детали, то можно составить систему неравенств, аргументами которой будут являться уточнения технологических систем. Как правило, в этой системе число неравенств меньше числа неизвестных. Система имеет множество решений, которое образует некоторую область в пространстве уточнений.
Но нет необходимости решать эту систему и описывать область решений. Назначив конкретные уточнения, экономически достижимые для технологических систем, которые могли бы быть применены в проектируемом технологическом процессе, мы подставляем эти уточненные данные в систему неравенств. Могут встретиться следующие случаи:
все неравенства удовлетворяются, следовательно, выбранное количество обработок приводит к получению годной детали;
все или часть неравенств не удовлетворяются, в этом случае необходи-мо добавление числа переходов, т.е. введение дополнительных уточнений.
Возникает вопрос - по какой поверхности назначить дополнительный переход. Очевидно, необходимо проанализировать составляющие левой части неравенства, выявить максимальные слагаемые и определить поверхность, назначение дополнительного перехода по которой принесет максимальный эффект.
Некоторую дополнительную информацию несет наличие операции старения или термообработки, т.е. разбиение технологического процесса на две части: черновую и чистовую. В этом случае по ряду поверхностей мы сразу можем удвоить число обработок.
Следующие два этапа излагаемой методики заключаются в выяснении возможности получения требуемого уточнения путем подбора оборудования при обработке либо в один переход, либо в несколько переходов.
Анализ показывает, что эти два этапа неразрывно связаны с двумя предыдущими, т.е. с базированием и с определением требуемой величины уточнения.
Следующий этап, заключающийся в выяснении возможности совмещения переходов и в формировании из них операций, пересекаются с третьим.
Формирование операций предусматривает выбор оборудования. Эта задача весьма сложная и по-разному должна решаться для каждого типа производства. Выбор оборудования позволит уточнить технологические базы и выявить необходимую технологическую оснастку. Если уточнение технологических баз приведет к смене баз на какой-либо операции, то придется вернуться ко второму этапу и заново пересмотреть все предыдущие расчеты.
Последний этап заключается в расчете и установлении межпереходных размеров и допусков (по всем показателям точности). Построенные на предыдущих этапах технологические размерные цепи 2-го года позволяют это сделать, но ориентируясь на среднестатистическую точность оборудования, без учета конкретного режима.
В заключении излагаемой методики предлагается разработать другие варианты технологических процессов и выбрать наиболее экономичный.
На рис. 4.16 данная методика проектирования технологического процесса изображена в виде неформального алгоритма.
Выбор структуры станочной системы
Основные положения выбора состава технологического оборудования. Характер и состав технологического оборудования во многом определяются типом производства. Тип производства является классификационной категорией и зависит от номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий. Различают три основных типа производства: единичное, серийное и массовое.
Для определения типа производства обычно пользуются коэффициентом закрепления операций
К3.о=«оп/М,
где иоп - число различных технологических операций, выполненных или подлежащих выполнению на участке, линии или в цехе в течение месяца; М- число рабочих мест соответственно участка, линии или цеха.
100
Список технологических систем, обладающих соответствующими параметрами
1-------------
Анализ условий производства
г2-------—
Состав оборудования
г Список методов получения заготовки
/ Список связей / между обраба-' спиваемыми i поверхностями!
Список связей между обрабатываемыми и необрабатываемыми поверхностями
Слиски: установочных баз, направляющих баз, опорных баз, двойных направляющих
j---------------
Технологические характеристики оборудования
Анализ служебного назначения детали
Классификация поверхностей по их функциям
-6------------
Установление размерных связей между поверхностями
г—7--------------
Оценка геометрических свойств поверхностей на возможность быть базами
02
' Список комплектов вспомогательных баз j
У‘>\
Список свободных поверхностей I
Рис. 4.16. Неформальный алгоритм проектирования технологического процесса
Рекомендуются следующие значения коэффициентов закрепления операций в зависимости от типа производства: для единичного производства > 40; для мелкосерийного производства > 20...< 40; для среднесерийного производства > 1О...< 20; для крупносерийного производства > 1... < 10; для массового производства 1.
Таким образом, тип производства с технологической точки зрения характеризуется средним числом операций, выполняемых на одном рабочем месте, а это, в свою очередь, определяет степень специализации и особенности применяемого оборудования.
На начальных этапах проектирования тип производства можно ориентировочно определить в зависимости от программы выпуска и массы изго-
101
V6
Выявление требований связанных с качеством поверх- — постного слоя и шероховатостью
Список поверхностей, свойства поверхностного слоя кото-
рых оговорены
! Упорядоченный. / список обра- / ‘ батывающих / поверхностей Г
г-д --------------
Определение требуемого уточнения по каждой поверхности детали
г-10---------------
Определение последовательности обработки поверхностей
11------1--------
Определение возможности совместной обработки поверхностей
Да
Нет
Габариты и протяженность основных базирующих поверхностей достаточны, чтобы служить технологическими базами ?
Рис. 4.16. (продолжение) Неформальный алгоритм проектирования технологического процесса
списки сов-I местно обрабатываемых по- i верхностей /
большинство поверхностей координируются относительно основных баз ?
15
поверхностей координируется относительно 1-го комплекта вспомогательных ?
товляемых деталей по данным, приведенным в табл. 4.3. Далее по мере выполнения технологических разработок данные о типе производства уточняют.
4.3. Ориентировочные данные для предварительного определения типа производства
Производство		 Число изготовляемых деталей одного типоразмера в год		
	тяжелых (> 100 кг)	средних (>10-100 кг)	легких (< 10 кг)
Единичное	5	10	100
Мелкосерийное	5-100	10-200	100-500
Среднесерийное	100-300	200 - 500	500 - 5000
Крупносерийное	300- 1000	500 - 5000	5000 - 50000
Массовое	1000	5000	50000
102
02
14
15
Да
06
49
А
Габариты и протяженность i-го комплекта вспомогательных баз достаточны, чтобы служить технологическими базами
18
A
В
16
6
"Физически удобно ли использовать в качестве технолога ~ гических баз i-u комплект вспомогательных баз
Нет
Да
Г17 i-u комплект вспомогательных баз принят в качестве технологических для большинства операций
02
14
г-19
Нет
02
/4
23
Да
Габариты и протяженность k-го комплекта поверхностей достаточны, чтобы служить технологическими базами?
Нет
02
15
Физически удобно ли использовать 6 качестве технологических баз основные базы детали ?
04
-22--------1--------
Основные базы приняты в качестве технологических для большинства операций
----Физически удобно ли использовать в качестве технологических баз k-й комплект поверхностей
24
Да
Да
25
Погрешности от несовмещения ТЙепГ 1 лежат в пределах допуска ?
бае а
Да
К>к
Нет
Рис. 4.16. (продолжение) Неформальный алгоритм проектирования технологического процесса
Необходимо иметь в виду, что деление на типы производства условно, что при широком развитии ГПС будут постепенно стираться существенные различия в оборудовании производств различного типа. Даже массовое производство в настоящее время становится быстросменным, для чего требуется высокопроизводительное оборудование, которое может быстро перестраиваться на изготовление других изделий. Если раньше автомобильные заводы выпускали одну и ту же модель автомобиля в течение десятков лет, то сейчас, например, ВАЗ ставит своей задачей каждый год осваивать выпуск новой модели автомобиля. При выборе состава технологического оборудования современных цехов механосборочного производства необходимо также учитывать следующие основные тенденции технологии про-
103
03
27
К-й комплект поверхностей принимается в качестве технологических 5ав для большинства операций
Г29
В качестве технологических баз необходимо использовать специально созданные поверхности
30
Список комплектов баз для всех операций, i кроме первой /
'03
17,22
Все ли поверхности можно обработать
—\от найденных комплектов баз ?
г-32------------------------------
W поверхностей нельзя обработать от найденных комплектов баз
г-33--------------
Выявление задач, которые надо решать при обработке деталей
/ Список Wr необрабатываемых поверхностей, связь которых с обрабатываемыми существенна
Список W2 поверхностей, для ко -торых есть ограничение колеба-—i ния припуска , вытекающее из / служебного назначения поверхно-/ сти (равномерность структуры) /
/ Список Wj поверхностей, для ко-___/ торых желательно минимальное у колебание припуска (отверстия, / канавки, паза)	/
Рис. 4.16. (продолжение) Неформальный алгоритм проектирования технологического процесса
изводства машин: интенсификацию технологических процессов, повышение качества обработки деталей и сборки машин, комплексную автоматизацию производственных процессов, повышение производительности труда и рентабельности производства.
В условиях серийного производства возможности использования интенсивных технологий на основе параллельной или параллельнопоследовательной концентрации технологических переходов были ограничены значительными потерями на переналадку. Широкое использование современных станков с ЧПУ, оснащенных инструментальными магазинами, обеспечивает значительную интенсификацию процесса обработки благодаря резкому сокращению вспомогательного времени (до 3...4 раз).
104
04
35
В
Да
38-^
Список комплектов^ баз Гй / операции /
. Нет
Габариты и протяженность Х}-й поверхности достаточны, чтобы служить технологической базой для обработки баз для большинства операций ?
Физически удобно ли использовать Xt-ю поверх-
-п -=----ность в качестве технологической для обра -
----ботки баз для большинства операций ?
Да
37
r39
Ищется поверхность заготовки, относительно которой поверхность Xi определена наиболее точно
U
N>i
г-43
Выбор варианта, дающего приемлемое решение всех задач
Нет 04
35
rW
г-47------------
Уточнение числа переходов
44
Нет
____Можно ли получить требуемую точность с одного перехода на имеющемся оборудовании ?
Да
45'
____________Возможны ли совмещения переходов Да ” обработки поверхностей 3
обработки поверхностей ?
Нет
г46Л------
Формирование операции
Нет
'а
06
50.
06 ЛЭ
Нужно ли уточнять технологические базы ?
Рис. 4.16. (продолжение) Неформальный алгоритм проектирования технологического процесса
Подобные принципы обработки реализованы в условиях среднесерийного производства при использовании переналаживаемых станков с ЧПУ, показанных на рис. 4.17 и 4.18.
Переналаживаемый станок ХПА4 с ЧПУ со сменными многошпиндельными головками (см. рис. 4.17) имеет силовую бабку, магазин 1 с многошпиндельными головками, манипулятор для смены головок. Заготовка может быть обработана с одной или нескольких сторон. Для этого в столе 3 предусмотрены устройства поворота и продольного перемещения, а в спутнике 2 - узлы 4 направления инструмента.
Для серийного производства перспективно применение агрегатных станков с ЧПУ для многосторонней обработки. Один из таких станков -АГП 630...400 показан на рис. 4.18. Обработка заготовки корпусной детали ведется одновременно с трех сторон. Каждый из трех шпинделей смонтирован в отдельной шпиндельной бабке и осуществляет перемещение по координатам Z и У. Центральная стойка имеет дополнительное пе-
105
ремещение по координате X, а боковые - по круговым направляющим (движение В). Станки подобного типа компонуют по традиционным принципам агрегатирования, что позволяет на одной базе создавать одно-, двух- и трехстоечные станки, обладающие высокой гибкостью при переналадке и высокой производительностью.
Основным критерием при выборе состава оборудования цеха являются минимальные приведенные затраты 3 на годовой выпуск; 3 = С + ЕНК, где С- себестоимость годового выпуска;
Уточняются базы для большинства операции ?
05
г—50
Выявление необходимой технологической оснастки
' Расчет межпереходных размеров и допусков
Рис. 4.16. (продолжение) Неформальный алгоритм проектирования технологического
процесса
Рис. 4.17. Переналаживаемый станок ХПА4 с ЧПУ с автоматической сменой многошпиндельных головок:
7 - магазин со сменными шпиндельными коробками; 2 - приспособление-спутник; 3 - поворотный стол; 4 - узлы направления инструментов; 5 - сменные шпиндельные коробки
Ен = ОД 5 - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К - капитальные вложения, рассчитанные на годовой объем продукции, которые включают стоимость оборудования, инструмента, зданий, затраты на незавершенное производство, жилищное и культурно-бытовое строительство.
Определение трудоемкости и станкоемкости обработки. Трудоемкостью изделия называют время, затраченное на его изготовление и выраженное в человеко-часах (Тчелч). Определяют трудоемкость по нормативам, отражающим применение в производстве современных методов и средств. Расчетная трудоемкость включает в себя все нормативное по технологическому процессу время
106
Рис. 4.18. Трехстоечный станок АГП 630-400: 1 - стойки; 2 - приспособление-спутник
обработки на станках и при ручных операциях, причем при многостаночном обслуживании суммарное время обработки на станках, обслуживаемых одним рабочим, для определения трудоемкости делят на число обслуживаемых станков.
При расчете количества оборудования необходимо иметь данные о станкоемкости из дел ия, т.е. о времени, затраченном на изготовление изделия и выраженном в станко-часах работы обо-рудования (Т„ ч).
Ориентировочно связь между трудоемкостью и станкоемкостью выражается через среднее значение коэффициента многостаночного обслуживания
Км - среднее число станков, обслуживаемых одним рабочим:
В зависимости от этапа проектирования, типа производства и других факторов трудоемкость (станкоемкость) изготовления детали или сборки изделия может быть определена и другими способами.
При проектировании цехов массового производства, как правило, разрабатывают подробно технологические процессы изготовления каждой детали, а также сборки изделия и его составных частей.
Как известно, основной расчетной величиной при проектировании производственного процесса массового производства является такт выпуска т - промежуток времени, затрачиваемый на изготовление детали или сборки узла (изделия): т = Ф60/Л\ где т - такт выпуска, мин; Ф - эффективный годовой фонд времени работы оборудования, ч (табл. 4.4); N -годовая программа выпуска, шт.
Содержание операций в массовом производстве устанавливают таким образом, чтобы их продолжительность была приблизительно равна или кратна такту выпуска.
Проектирование цехов и участков массового и крупносерийного производства выполняют по точной программе. При этом предполагается на
107
личие детально разработанных технологических процессов обработки и сборки с техническим нормированием. Трудоемкость изготовления комплекта деталей или сборки узла на одно изделие:
п т
для массового производства Ти = ХЕ1... ;
п т
для серийного производства Ти =
'=1 7=1
где tlui . и /ш_к/ / - соответственно штучно-калькуляционное время выполнения у-й операции обработки z-й детали или сборки z-ro узла; п - число деталей в изделии при определении трудоемкости обработки или узлов -при определении трудоемкости сборки; т - число операций изготовления детали или сборки узла.
4.4. Эффективный (расчетный) годовой фонд времени работы оборудования, ч
Оборудование	Режим работы		
	односменный	двухсменный	трехсменный*
Металлорежущее Металлорежущие станки массой, т. < 10	оборудование 2040	4060	6060
10- 100	2000	3985	5945
Металлорежущие станки с ПУ массой, г: <10	——-	3890	5775
10- 100	—	3810	5650
Агрегатные станки	—	4015	5990
Автоматические линии	—	3725	5465
Гибкие производственные модули, роботизированные технологические комплексы массой, т: < 10				5970(7970)
10- 100	—	—	5710(7620)
Оборудование сбо Рабочее место сборщика	рочиых цехов 2070	4140	6210
Рабочие места с механизированными приспособле-	2050	4080	6085
ПИЯМИ Сборочное автоматическое и полуавтоматическое	2000	3975	5930
оборудование Непитательные стенды с автоматической регистра-	2010	3975	5960
цией результатов испытаний Автоматические сборочные линии	—	3725	5465
Испытательные стенды	2020	4015	5990
*В скобках указано время работы оборудования в выходные и праздничные дни.
4u-k/,J ш п.з /,/ /«п/ ’
где Гп.з,, _ подготовительно-заключительное время на j-й операции изготовления z-й детали или сборки /-го узла; пи1 - число z-x деталей или узлов
в партии.
108
Суммарная трудоемкость сборки изделия Тсб и включает время Гобщ, затрачиваемое на общую сборку изделия из предварительно собранных узлов, т. е. Тсб и = Туз + Тобщ, где Туз - трудоемкость узловой сборки.
При проектировании по приведенной программе трудоемкость обработки или сборки изделий-представителей получают также путем технического нормирования операций обработки или сборки. Трудоемкость обработки или сборки остальных деталей или изделий находят с помощью коэффициента приведения: Ти =ТпрКпр, где Ти и Тпр - трудоемкость соответственно изготовления рассматриваемой детали или изделия данной группы и детали или изделия-представителя; Кпр - общий коэффициент приведения для рассматриваемой детали или изделия.
При разработке проектов технического перевооружения или реконструкции цехов, а также в тех случаях, когда объектом проектирования является освоенное изделие, трудоемкость (станкоемкость) изготовления деталей этого изделия или трудоемкость его сборки может быть определена по заводским данным с учетом переработки норм и результатов внедрения новой технологии, средств автоматизации и механизации производственных процессов в проектируемом производстве.
С этой целью в ходе предпроектного обследования производства выявляют реальные затраты времени на изготовление деталей или сборку изделия. Как правило, заводы дают проектантам данные о трудоемкости в нормо-часах Тнч, которые необходимо перевести в человеко-часы или в станко-часы: Тчелч =ТНЧ/Кпер = Тнч 100/р, где Кпер- коэффициент пе-реработки норм; (3 - средний процент выполнения норм.
Одновременно при этом выявляют наиболее «узкие» места производства, т.е. те операции и технологические процессы, которые в наибольшей степени сдерживают расширение производства и улучшение качества продукции. Это особенно важно при внедрении гибких производственных модулей и многоцелевых станков. Учитывая их высокую стоимость, необходимо применять их для расширения «узких» мест.
В ходе предпроектного обследования выявляют как суммарную трудоемкость изготовления, так и трудоемкость изготовления на основных группах оборудования, а для сборки - трудоемкость узловой сборки, слесарно-пригоночных работ, общей сборки изделия, трудоемкость испытания изделия в целом и его отдельных сборочных единиц.
В настоящее время при техническом перевооружении предприятий серийного производства предполагается более широкое применение станков с ЧПУ, в том числе многоцелевых, и гибких производственных модулей. Для определения трудоемкости изготовления деталей в новых условиях можно воспользоваться данными о станкоемкости изготовления деталей по существующей технологии, скорректировав данные о станкоемкости изготовления тех деталей, которые переводятся для обработки на более производительное оборудование.
109
Для этого суммарную трудоемкость изготовления по существующей технологии разделяют по видам работ, выполняемых на универсальных станках (токарных, фрезерных, шлифовальных и др.), автоматах и полуавтоматах, станках с ЧПУ. Станкоемкость по видам работ Т, корректируют с
помощью коэффициента роста станкоемкости на проектную программу Кр/ с учетом ежегодного планового снижения станкоемкости. Таким образом, станкоемкость рассматриваемого вида работ по базовому варианту, но на новую программу и в плановом году внедрения будет равна Тб/ =Tf/Kp/ . Здесь K„ = Nnp/N«(l-aX./100), где ?Vnp - программа выпуска в проектном варианте; N6 - программа в действующем производстве (базовый
вариант); a - планируемый ежегодный процент снижения станкоемкости; Ув - планируемый срок внедрения новой технологии, годы.
Далее полученную станкоемкость по видам работ (базовый вариант) делят на объем работ, переводимый на более прогрессивные виды оборудования (станки с ЧПУ, многоцелевые станки, гибкие производственные модули и т.д.), и на объем работ, оставляемый на доработку на универсальном оборудовании. Затем объемы работ, переводимые на прогрессивные виды оборудования, корректируют с помощью коэффициента прогрессивности Кпг, учитывающего более высокую производительность этого оборудования: Тпр, = Тб,/Кпг.
Абсолютные значения коэффициентов прогрессивности зависят от сложности изготовляемых деталей, технического уровня действующего производства, партии запуска.
Чем сложнее изготовляемые детали, ниже технический уровень действующего производства и меньше партия запуска, тем больше коэффициент Кпг и наоборот. Так, при переводе изготовления деталей типа тел вращения на станки с ЧПУ и гибкие производственные модули Кпг рекомендуется
принимать Кпг= 1,5...3, на токарные многоцелевые станки Кпг < 4...5. При переводе изготовления корпусных деталей на многоцелевые станки и гибкие производственные модули в зависимости от указанных выше факторов Кпг=2...6.
Полученные таким образом значения станкоемкости по видам работ с учетом использования прогрессивного оборудования применяют для опре
деления числа станков.
Расчет количества основного технологического оборудования и рабочих мест для поточного производства. Число станков непрерывной поточной линии определяют для каждой операции (в автоматической линии -для каждой позиции) изготовления. Расчетное значение числа станков определяют по формуле
С' =t /т. р ш /
по
Здесь (ш - штучное время (станкоемкость) выполнения операции, мин; L. = А, + А, + А™ + ^пг + А™> гДе - основное время выполнения операции; /в - вспомогательное время выполнения операции, не перекрываемое основным (на установку, закрепление заготовки, подвод, отвод инструмента, снятие заготовки и др.); /тех - время на техническое обслуживание рабочего места, отнесенное к одной детали (на смену, настройку, регулировку инструмента, устранение различных отказов и др.); /орг - время на организационное обслуживание рабочего места (на подготовку станка к работе, его смазывание, очистку, получение инструмента и пр.); Гпер - время, учитывающее регламентированные перерывы на отдых и естественные надобности рабочего; т ~ такт выпуска деталей или изделий с линии, мин.
В практике технического нормирования обычно пользуются формулой tw = (/0 + /в)(1 + ос/100), где а - процент потерь времени от оперативного времени fon = tQ + , учитывающий остальные составляющие штучного времени.
Величину а принимают равной в зависимости от сложности наладки станков 6... 10 %, для автоматических линий - до 18 % оперативного времени.
Полученное значение С' округляют до ближайшего большего целого I	н
числа, получая при этом расчетное число станков Ср для данной операции.
После этого определяют коэффициент загрузки станков на данной операции, который равен отношению фактического времени работы станка к эффективному фонду времени: К3 = ^ш/(тСр) или К3 = Ср/Ср .
Практика работы поточных линий показала, что на производительность линии большое влияние оказывают наложенные потери, вызванные остановкой смежного оборудования, отсутствием заготовок в связи с различного рода перебоями в снабжении и другими причинами, не связанными с собственно технологическими процессами. Эти потери наиболее ощутимы на операциях с высоким коэффициентом загрузки, так как в приведенной методике определения числа станков не учитываются указанные виды потерь.
Для учета наложенных потерь времени вводят коэффициент использования оборудования Ки, представляющий собой отношение расчетного числа единиц оборудования, необходимого для обеспечения программы выпуска изделий, к принятому.
Поэтому принятое число станков да данной операции Сп = Ср/Ки .
В табл. 4.5 даны рекомендуемые значения коэффициентов загрузки и использования для отдельных станков и групп оборудования. При этом следует иметь в виду, что в тех случаях, когда коэффициент загрузки по расчету получается меньше рекомендованных значений, в качестве приня
111
того берут расчетное число станков, и коэффициент использования принимают равным единице.
Надо иметь также в виду, что К3 < 1. В тех случаях, когда число станков превышает целое число не более чем на 0,05...0,1, следует пересмотреть содержание данной операции (изменение режима резания, структуры операции, применяемых инструментальных материалов и оснастки) с целью повышения производительности обработки.
4.5. Допустимые значения коэффициентов загрузки (К3) и использования оборудования (Ки)
Группа оборудования	Кз		Ки
	максимальный	средний по группе	
Универсальные станки	0,95-1,0	0,8	0,9
Автоматы и полуавтоматы одношпиндельные	0,95-1,0	0,85	0,85
То же многошпиндельные	0,90	0,90	0,8
Специальные и агрегатные станки	0,9	0,9	0,8
Автоматические линии с жесткими связями	0,95-1,0	0,9	0,75
Станки с ЧПУ	0,95	0,9	0,85
Пример. Определить число станков для операций токарной обработки и зубофрезерования поточной линии обработки зубчатого колеса. Такт линии т = 2 мин; /шток = 1,75 мин; /шфр = 9,8 мин. Обработка выполняется на одношпиндельных полуавтоматах.
Число станков для токарной операции С'рток= 1,75/2 = 0,85, следовательно, расчетное число станков Ср = 1, коэффициент загрузки Кзток = 0,85, что не превышает максимально допустимого значения по табл. 4.5. Поэтому Сп ток= 1  Число станков для зубофрезерования Ср фр = 9,8/2 = 4,9; следовательно, расчетное число зубофрезерных станков Ср^р-59 коэффициент загрузки Кзфр = 0,98, что превышает максимально допустимое значение. В этом случае принятое число станков
с. фр = Срфр/К. = 5/0,85 « 6.
При больших объемах выпуска, когда такт выпуска мал, удобнее расчет вести по производительности работы оборудования: Ср = П/Пст, где
П - требуемая производительность линии; Пст - производительность
оборудования на данной операции.
Для переменно-поточных и групповых поточных линий число станков на каждую операцию рассчитывают по штучно-калькуляционному времени и программе выпуска каждой обрабатываемой на линии детали: п
Ср = У/„„к/ ЛГ,/(ф60), где /ш_к/ и N, - соответственно штучно-/=]
112
калькуляционное время операции изготовления i -й детали на станке, мин, и ее программа выпуска; Ф - эффективный годовой фонд времени станка, ч; п - число разных деталей, изготовляемых на переменно-поточной линии.
При отсутствии данных о подготовительно-заключительном времени расчет числа станков на каждую операцию переменно-поточной линии
п
можно вести по штучному времени Zm/: С'р =	7V,/(Ф60Кп), где Кп-
/=1
коэффициент переналадки (обычно Кп= 0,95, а для групповых поточных линий, не требующих переналадки, Кп= 1).
Расчетное число станков Ср, как и в предыдущих случаях, получают округлением Ср до ближайшего большего значения.
Если многопредметная поточная линия работает с разными тактами при изготовлении разных деталей, то необходимым условием выполнения заданной программы по всей номенклатуре выпускаемых деталей является
п
следующее соотношение:	< Ф60Кп, где tz - такт выпуска z-й
/=1
детали.
Указанное соотношение вытекает из того, что фактическое время работы оборудования не может превышать эффективного фонда времени с учетом потерь на переналадку.
Для систематизации расчета числа станков для переменно-поточных линий целесообразно пользоваться таблицами, где указана последовательность изготовления детали на каждом станке.
Расчет количества основного технологического оборудования и рабочих мест при непоточном производстве. В условиях непоточного производства изготовляют детали партиями, а сборку осуществляют сериями изделий или сборочных единиц
При детальном проектировании цехов и участков серийного производства число станков определяют по каждому типоразмеру оборудования для каждого участка на основе данных о станкоемкости деталей, закрепленных для обработки за данным участком. Расчетное число станков Ср = ТСЕ/Ф, где ТС£ - суммарная станкоемкость обработки годового количества деталей на станках данного типоразмера, станко-ч; Ф - эффективный фонд времени работы станка, ч.
п т
Суммарная станкоемкость обработки Тсу = ,= /=---------, где п -
60
число разных деталей, изготовляемых на станках данного типоразмера; т - число операций обработки z -й детали на станках данного типоразмера; /ш_к.у - штучно-калькуляционное время выполнения j-й операции
113
изготовления z-й детали, станко-мин; N, - годовая программа выпуска z -х деталей.
При проектировании по приведенной программе в формулу для определения станкоемкости подставляют штучно-калькуляционное время операций изготовления деталей-представителей и их приведенные программы. Полученное расчетное значение С'р округляют до ближайшего большего расчетного числа станков Ср и определяют коэффициент за-грузки К3 = С'р/Ср.
Полученный коэффициент загрузки станков данного типоразмера не должен превышать допустимых значений, приведенных в табл. 4.4. В тех случаях, когда полученный коэффициент загрузки превышает допустимые значения, необходимо ввести в расчет коэффициент использования Ки, учитывающий возможные наложенные потери времени. В этом случае принятое число станков Сп = Ср/Ки .
Средний коэффициент загрузки станков участка или цеха непоточного производства, как правило, выше, чем на поточных линиях, и составляет 0,8...0,85, однако меньшие потери времени на переналадку и применение специализированного оборудования в поточном производстве обеспечивают их более высокую производительность. Указанное противоречие устраняется при использовании гибких производственных систем в условиях серийного производства. Малые потери времени на переналадку оборудования при смене заготовки в ГПС позволяют изготовлять детали малыми партиями, обеспечивая ритмичность работы производственных подразделений и уменьшая незавершенное производство. Высокая производительность станков с ЧПУ, многоцелевых станков обеспечивает эффективность ГПС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Бабушкин А.З., Новиков В.Ю., Схиртладзе А.Г. Технология изготовления металлообрабатывающих станков и автоматических линий. - М.: Машиностроение, 1981. - 270 с.
2.	Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1969. -560 с.
3.	Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения. - М.: Машиностроение, 1982. - Кн. 1. - 288 с.; кн. 2. - 182. 268 с.
4.	Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов / С.Н. Корчак, А.А. Кошин, А.Г. Ракович, Б.И. Синицын - М.: Машиностроение, 1988. - 352 с.
5.	Косилова А.Д., Мещеряков Р.К., Калинин М.А. Точность обработки заготовок и припуски в машиностроении: Справочник технолога. - М.: Машиностроение, 1976. - 288 с.
6.	Кудинов А.В. Предпроектный анализ при создании ГПС для механообработки: Методические рекомендации. - М.: ЭНИМС, 1987. - 24 с.
7.	Кудинов А.В., Тевлин З.В. Разработка технической заявки на ГПС для механообработки: Методические рекомендации. - М.: ЭНИМС, 1986. -47 с.
8.	Маталин А.А. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985. - 512 с.
9.	Общесистемный классификатор технологических операций в машиностроении и приборостроении. - М.: ВНИИНМаш, 1975. - 52 с.
114
Глава 5.
АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИЗ УНИВЕРСАЛЬНЫХ, АГРЕГАТНЫХ И СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАНКОВ
5.1. Структура автоматических станочных систем
Основные признаки автоматических станочных систем из универсальных, агрегатных и специальных станков следующие: наличие стабильного технологического процесса, характерного для среднесерийного, крупносерийного и массового производства, дискретный характер его осуществления, использование стационарных машин, расположенных в соответствии с маршрутом обработки. На автоматических линиях этих типов возможно комплексное изготовление изделий, включающее механическую обработку, сборку, контроль и другие операции. Широко применяются эти линии и для выполнения отдельных групп операций (токарная и фрезерная обработка, шлифование, сверление, растачивание и др.).
На рис. 5.1 дана классификация автоматических линий по конструктивно-компоновочным признакам.
Рис. 5.1. Классификация автоматических линий по конструктивно-компоновочным признакам
Расположение рабочих позиций зависит от размеров заводских помещений, направления потока заготовок (деталей) от заготовительных к сборочным цехам, требований к удобству обслуживания, наличия поворотных устройств для обработки заготовок с разных сторон и т.д.
Линейное расположение оборудования является наиболее простым. Однако при большой длине линии значительно усложняются обслуживание и конструкции коммуникационных сооружений. В П-образных компоновках оборудование располагается более компактно. При этом вход и выход заготовок находятся рядом, что удобно для обслуживания. Для небольших по длине линий удобно круговое и прямоугольное расположение
115
с монтажом в центре насосных установок, электрошкафов, наладочных приспособлений. Выбор зигзагообразных и других видов компоновок определяется производственными площадями и требованиями технологического процесса.
Транспортирование может быть дискретным и непрерывным, тип транспортного потока заготовок - зависимым и независимым. Расположение конвейера (сквозное, фронтальное, верхнее) и оборудования (поперечное, продольное, угловое) диктуется требованиями максимального упрощения конструкций загрузочно-разгрузочных устройств. Все виды транспортных устройств, показанные на рис. 5.1, широко используются, и выбор их зависит от типа заготовки, ее размеров, требований технологического процесса.
Использование приспособлений-спутников для транспортирования и закрепления заготовок во время обработки требует в большинстве случаев, кроме межоперационного конвейера, наличия конвейера для возврата спутников в начало линии.
От выбора структуры автоматической линии во многом зависит производительность и другие технико-экономические показатели оборудования. В табл. 5.1 приведены основные виды структурных вариантов.
Автоматическая линия с жесткой межагрегатной связью представляет собой станочную систему, остановка любого агрегата которой вызывает простой всей системы машин. При минимальном количестве оборудования, отсутствии накопителей и заделов заготовок между станками этот вариант, как правило, экономически наиболее целесообразен. Однако объединение большого количества недостаточно надежного в работе технологического оборудования, непосредственно влияющего друг на друга в процессе эксплуатации, может привести к значительным дополнительным простоям, снижению производительности и ухудшению экономических показателей.
Деление линий на участки с наличием между ними устройств для приема и выдачи заготовок позволяет повысить производительность сблокированных агрегатов. Межоперационные запасы могут обеспечить работу линии при вышедшем из строя участке до тех пор, пока это позволяет их вместимость. Накопителями могут быть магазины и бункеры, а также сами транспортные устройства (лотки, конвейеры и т.п.).
5.1.	Структурные варианты автоматических линий последовательного действия
С жесткой связью
Число участков пу
пу=1
Коэффициент А
Разделенная на участки
С гибкой связью
Поточная
116
В автоматической линии с гибкой межагрегатной связью накопители заделов устанавливают между всеми технологическими машинами. Взаимное влияние агрегатов может быть сведено до минимума при достаточной вместимости накопителей. Однако дополнительные потери все же наблюдаются, так как реально допустимые запасы заготовок в накопителях ограничены.
Поточная линия является одним из вариантов автоматизированного производства. Она характеризуется наличием такого количества запасов заготовок между станками, которое исключает взаимное влияние оборудования при совместной работе. При этом предусматривается работа операторов, осуществляющих загрузку заготовок и выгрузку деталей. Производительность станков в поточной линии практически соответствует производительности этих станков при эксплуатации их вне линии и определяется обычно производительностью лимитирующего станка, т.е. станка, имеющего наименьшую производительность.
Влияние вместимости накопителя в автоматической линии на производительность может быть оценено коэффициентом межучасткового наложения потерь А. Величина А зависит от вместимости накопителя, и О < А < 1. При накопителе, который полностью компенсирует потери соседних участков, А = 0, а при отсутствии накопителя А = 1. В остальных случаях накопитель лишь частично компенсирует потери соседних участков.
В качестве основного критерия при выборе структуры автоматических линий используют различные параметры, основными из которых являются показатели производительности линий и их экономической эффективности при обеспечении требуемого качества изделий. Структура должна обеспечивать максимальную или требуемую производительность линии. Экономическая эффективность определяется различными параметрами: экономическим эффектом за определенный срок службы, сроком окупаемости и коэффициентом эффективности дополнительных капиталовложений, ростом производительности общественного труда и другими.
Производительность любой машины или системы машин можно определить по формулам, приведенным в подразд. 2.3. Собственные внецик-ловые потери Ytc можно представить как
s/c=sq+re,
где SCZ - потери, связанные с инструментом (замена, регулировка и др.);
tQ- потери на устранение отказов механизмов оборудования.
Повышение производительности может осуществляться путем сокращения времени рабочего и вспомогательного ходов (цикловые потери) и внецикловых потерь, связанных с инструментом и оборудованием. Необходимо учитывать также потери на переналадку при изготовлении деталей новых видов, возможные потери вследствие брака и другие потери времени при эксплуатации. В АЛ из универсальных, агрегатных и специальных станков для крупносерийного и массового производств эти потери обычно сравнительно невелики.
АЛ позволяют широко использовать многопозиционную обработку, при которой возможно совмещение рабочих и вспомогательных ходов для повышения производительности. Структурные варианты автоматических
117
линий могут быть выполнены с последовательным, параллельным и параллельно-последовательным (смешанным) расположением позиций (табл. 5.2).
5.2. Структурные варианты при различных видах агрегатирования
Варианты	Число параллельных позиций	Число последовательных позиций	Определение числа позиций при максимальной производительности	Графики зависимостей производительности от числа позиций, вида агрегатирования и внецикловых потерь
Последователь-				
ное агрегатиро-			1 1	
вание	Р=1	?>1	Qmax д г,- ,	
				
				ЧмцЧят^тП}	Ч
Параллельное				
агрегатирование			1	hi* ЧгЧг
		Л 	 1	Цт О —		
	р> 1	q- 1		? 	 i	——
				hj		 р
Смешанное				Qpf	PI>PI>PJ
агрегатирование			1 1	а
	р> 1	?>1	Qmax ~ д	ту . V РкоЧ	
			-	ЧтвчЧтччЧпт) Ч
При последовательном агрегатировании варианта объем обработки дифференцируют, разбивая ее на элементы, стремясь к их одинаковой продолжительности. Одновременная обработка во всех позициях позволяет сократить продолжительность цикла. Увеличение внецикловых потерь, связанное с взаимным влиянием жестко связанных агрегатов, замедляет возможный рост производительности и может привести к ее снижению.
Зависимость производительности при последовательном агрегатировании от числа позиций Qg = f(g) имеет экстремум, что позволяет определить для любого технологического процесса значение qmax, которое соответствует максимальной производительности.
Увеличение внецикловых потерь по оборудованию уменьшает возможность роста числа позиций, соответствующих Qqmax. Последовательное агрегатирование чаще применяют для сложных и трудоемких работ, при которых целесообразно деление общего объема работ на элементы.
Параллельное агрегатирование (вариант б) характерно для сравнительно простых операций, когда возможно одновременно на нескольких позициях выполнять одну и ту же работу. В этом случае в одном автомате или автоматической линии объединяют одинаковые исполнительные механизмы. Продолжительность цикла остается постоянной, а производительность увеличивается благодаря одновременной обработке нескольких заготовок.
118
Зависимость производительности при параллельном агрегатировании Qp от числа позиций р не имеет максимума. При увеличении числа позиций рост производительности замедляется, асимптотически приближаясь к пределу, зависящему от продолжительности внецикловых потерь. Число позиций определяют, исходя из требований к производительности и целесообразности увеличения ее за счет роста числа позиций.
Как при последовательном, так и при параллельном агрегатировании эффективность многопозиционной обработки непосредственно связана с параметрами, характеризующими надежность оборудования, продолжительностью внецикловых потерь различного вида.
При параллельно-последовательном агрегатировании автоматические линии сочетают в себе параллельные и последовательные позиции. Это расширяет технологические возможности оборудования и дает дополнительные резервы роста производительности. Работающие по этой схеме автоматические линии состоят из р параллельно работающих потоков, включающих в себя q последовательно соединенных машин или позиций (вариант в).
Обозначив время рабочего хода г = —, где - технологическая производительность всего процесса до его дробления, т.е. максимально возможная производительность при отсутствии цикловых /в и внецикло-
вых потерь tn всех видов, получим аналитическую зависимость производительности системы машин параллельно-последовательного действия
Приведенная зависимость позволяет анализировать структуру многопозиционных машин в зависимости от различных параметров, влияющих на производительность. При этом предполагается равномерная разбивка технологического процесса по позициям и продолжительности их простоев, что является одним из основных принципов проектирования автоматических станочных систем, хотя практически неизбежны некоторые отклонения, которые могут быть учтены при расчетах. Выход из строя любого агрегата вызывает остановку всей системы машин.
Для приведенной зависимости характерно наличие максимума производительности при определенном значении дтах. Взяв частную производ-
ную
dQ
^рц dq
и приравняв ее к нулю, получим
1
Я max л . • V Рка
Таким образом, с увеличением числа параллельных потоков р повышается производительность, но для достижения максимальной производи
119
тельности требуется уменьшение числа последовательных позиций q. Особенно важно определить зйачения qmax в межпоточных автоматических станочных системах, где незначительная ошибка может привести к большим потерям производительности.
Принимая р = 1, мы можем проанализировать структуру системы машин последовательного, а при q = 1 - соответственно параллельного агрегатирования. Параллельно-последовательная структура автоматических линий часто предусматривает независимые последовательные цепочки машин, не оказывающие взаимного влияния. В этом случае
Число потоков в автоматической линии может быть переменным. На рис. 5.2 приведена схема трехсекционной линии с различным числом потоков в каждой из них. Первая секция имеет три потока, которые загружаются конвейером 7. В каждом потоке установлены четыре жестко сблокированных агрегата 2, выдающих обработанные заготовки на конвейер 3. С конвейера 3 заготовки попадают для обработки на вторую однопоточную секцию, состоящую из двух агрегатов 4. Затем конвейер 5 подает заготовки в третью секцию, представляющую собой двухпоточную систему с тремя агрегатами 6 в каждой. Обработанные заготовки перемещаются конвейером 7.
В автоматических линиях с переменной структурой можно обеспечить наиболее рациональное использование станков при минимальном их числе. Трудности реализации этих схем заключаются в усложнении систем управления и транспортных механизмов.
Рис. 5.2. Схема автоматической линии с переменным числом потоков
Для осуществления большинства технологических процессов возможно использование большого числа вариантов структур: от простейших поточных линий до сложных автоматических станочных систем с многопоточной обработкой, деление линий на участки и создание межоперационных накопителей заделов.
120
С учетом дополнительных потерь вследствие недостаточной надежности работы соседних участков и ограничений вместимости накопителей производительность автоматической линии, разделенной на участки,
Q
\ + Kte + KtyW’
где t - —-——; W - коэффициент возрастания внецикловых потерь, пу
учитывающий влияние соседних участков.
При принятых условиях W = 1 + д(иу -1).
Этот коэффициент одинаков для любого из участков автоматической линии. Вид дополнительных потерь зависит от места расположения участка в линии. Участки, расположенные в начале линии, больше простаивают из-за переполнения последующих участков, а участки в конце линии - из-за отсутствия заготовок в накопителях. С учетом коэффициента возрастания потерь производительность линий для всех возможных структурных вариантов можно определить по формуле
Это позволяет анализировать различные структурные варианты систем машин и выбирать из них лучшие.
Производительность автоматической станочной линии является важным, но не единственным параметром, определяющим целесообразность выбора того или другого структурного варианта. Необходимо учитывать стоимость металлорежущего оборудования, затраты на средства автоматизации и эксплуатацию, оплату труда обслуживающего персонала и т.д. С учетом всех этих затрат выбирают оптимальный вариант структуры, обеспечивающий максимальный экономический эффект.
В качестве критерия оценки техники можно использовать показатель, характеризующий рост производительности общественного труда и позволяющий обосновать выбор варианта автоматизации. Методика расчета основана на сравнении между собой вариантов построения автоматических станочных систем. Рост производительности общественного труда
= ф8
^ + Л^-(л7 + 1)
+ Af(mScp8 +1) ’
П2 и П1 - производительность общественного труда при 1-м и 2-м варианте; А: = ТП/ТЖ-показатель, характеризующий техническую вооруженность производств, равный отношению единовременных затрат Тп к затратам на заработную плату обслуживающего персонала Гж; m = TJT* -коэффициент энергоматериалоемкости, т.е. отношение текущих затрат (на электроэнергию, смазочные материалы и т.п.) к тем же затратам за одинаковый промежуток времени; N- срок службы оборудования.
121
Технико-экономические показатели обоих вариантов характеризуются относительными безразмерными величинами: ср = Q2/0] — ростом производительности оборудования; е = Гж1 /Тж2 - сокращением затрат на заработную плату при сокращении персонала, что типично при автоматизации; <5 = Тп1/Тп} - отношением стоимости средств производства в обоих случаях;	- изменением текущих эксплуата-
ционных затрат.
При выборе структурного варианта целесообразно сравнивать автоматическую линию с жесткой связью с поточной линией. В этом случае
_ ^ц.ал Уис.ал _	1
Оцпл^пл l+Bq ’
Оцал
где у =  - - коэффициент роста цикловои производительности; Оц.пл
В = tn/T - коэффициент, характеризующий надежность оборудования и равный отношению усредненного времени внецикловых потерь /п к времени цикла Т.
Изменение стоимости автоматической линии по сравнению с поточной определяют по формуле
g 4ал _	J «
Т’п.пл МЯ	Я ’
где М - усредненная стоимость одного станка линии; а - коэффициент относительной стоимости комплекта средств автоматизации по сравнению с усредненной стоимостью одного станка.
Считая, что эксплуатационные затраты Tv изменяются в прямой зависимости от стоимости оборудования, получим
Таким образом, рост производительности общественного труда
Эта формула позволяет анализировать любые варианты структур автоматических линий. Блокируя в линию требуемое число станков, можно обеспечить необходимый рост производительности труда. Одновременно можно определить требования к уровню надежности станков линии, допустимым затратам на дополнительную автоматизацию, срокам службы оборудования и другим технико-экономическим показателям.
122
Если технологический процесс позволяет получить требуемое число позиций qmax, автоматическая линия будет одноучастковой, т.е. все станки соединены между собой жестко и промежуточные магазины-накопители отсутствуют. При <?тех > qmax число участков линии определяют по формуле
_ Утех 5 Qmax
где #тех- число позиций в линии, определяемое технологическим процессом.
На рис. 5.3 приведены зависимости роста производительности Л труда от числа q позиций, которые
характеризуют три варианта автоматической линии при технологическом процессе, требующем #тех = 20.
Кривая 1 характеризует рост производительности выбранной автоматической линии по сравнению с поточной. Двухучастковая линия является оптимальным вариантом. На одноучастковой линии с q = 20 производительность труда за 10 лет ее эксплуатации снизилась с 58 до 47 %. Трехучастковая линия с q = 6...7 также снижает рост производительности
Рис. 5.3. Зависимость роста производительности труда от числа позиций (X) для трех вариантов автоматических линий
труда до 50 %.
В случае компоновки автоматической линии из менее надежного в работе оборудования с В = 0,04 (кривая 2) трехучастковая линия является наиболее выгодным вариантом. При необходимости создания высокопроизводительной одноучастковой линии с жесткой связью требования к показателям надежности увеличиваются. В данном случае коэффициент В должен достигнуть значения 0,005 (кривая 5).
В качестве критерия оценки производительности и структуры автоматических станочных систем может быть принят минимум приведенных затрат на изготовление изделий или другие общепринятые критерии. Преимуществом проведенной оценки является возможность широкого анализа влияния на основные параметры систем машин технико-экономических показателей оборудования: надежности, соотношения времени работы и простоев, числа позиций, вида агрегатирования, текущих и единовременных затрат и др.
Межоперационные накопители позволяют компенсировать потери производительности линий путем уменьшения простоев соседних станков и участков. Число накопителей зависит от числа участков линии.
При выборе вместимости накопителей необходимо учитывать продолжительность простоев участков линии, производительность оборудования и дополнительные затраты на создание накопителей и встраивание их в автоматические линии. Имеются ограничения по числу находящихся на линии заготовок на промежуточных операциях.
123
Вместимость Е накопителей должна обеспечить работу автоматической линии при максимально допустимом единовременном простое участка продолжительностью tnmax. Ее можно определить по формуле £ -tn ,НЛГ0ц, где 0ц цикловая производительность.
Если это условие выполняется, то все простои продолжительностью, меньшей, чем tn.rnax, будут компенсированы за счет промежуточных заделов. При больших потерях после израсходования заделов линия будет дополнительно простаивать в течение некоторого времени 'п.доп =/п.ф-/п.«1аг > где /п.ф- фактические потери в линии.
Вместимость накопителей прежде всего зависит от надежности работы всех агрегатов автоматической линии, т.е. от продолжительности фактических простоев. Однако при расчете вместимости не следует ориентироваться на большие простои неудачно подобранного или плохо освоенного оборудования. Это приведет к значительному увеличению межоперационных заделов и росту затрат на оборудование, что снизит эффективность автоматизации. Из-за сложных конструкций бункеров и магазинов также возможны значительные дополнительные простои автоматических линий.
Надежные в работе бункерные и магазинные устройства позволяют повышать производительность автоматических линий. При работе многоучастковых автоматических линий с оптимальным количеством заготовок в бункерах и магазинах происходит перераспределение запаса заготовок в них в соответствии с простоями отдельных участков. При этом линия по
стоянно выдает готовую продукцию с заданным ритмом.
Увеличение затрат на автоматизацию при использовании магазинных
и бункерных устройств может снизить показатели роста производительности труда. Магазины большой вместимости по стоимости в некоторых случаях даже превосходят металлорежущее оборудование,
устанавливаемое в автоматической линии. Максимально допустимые затраты на автоматизацию могут быть определены из условия, что введение накопителей обеспечивает повышение производительности труда
по сравнению с линией с жесткой связью.
На рис. 5.4 показана зависимость роста производительности труда X от числа жестко сблокированных
Рис. 5.4. Зависимость роста производительности труда (X) от числа позиций (q) при различных затратах на автоматизацию (а) и производительности (у)
позиций q при различных относительных затратах а на автоматизацию в соответствии с формулой. Увеличение производительности автоматической линии, которое может быть вызвано введением накопителей, повышает значение X при постоянстве остальных параметров. Однако при дополнительных затра-
тах на автоматизацию это изменение носит различный характер и может привести даже к его уменьшению.
124
Если число участков в линии задано, можно определить максимальную стоимость накопителей, исходя из того, что введение накопителей в линию не дает ни выигрыша, ни проигрыша в производительности труда по сравнению с линией из сблокированных машин. Приняв N = 0, рассчитаем допустимую стоимость накопителей из условий гарантированного роста производительности труда при минимальных сроках службы оборудования.
На рис. 5.5 показана зависимость допустимой относительной стоимости ад накопителей от числа участков пу в линии при различной степени компенсации потерь А. Наибольшие дополнительные затраты допускаются при пу = 2...3.
Рис. 5.5. Зависимость допустимой относительной стоимости (af)) накопителей от числа участков (при различных коэффициентах Пу) межучасткового наложения потерь (А)
5.2.	Автоматические линии на базе универсальных станков
Основным оборудованием АЛ на базе универсальных станков являются станки, которые выпускают серийно. Их можно использовать как в автоматических линиях, так и при индивидуальном обслуживании. Это большая группа универсальных автоматов и полуавтоматов - многошпиндельных, револьверных, многорезцовых и других станков, предназначенных для выполнения широкого круга работ. Высокий уровень автоматизации позволяет сравнительно просто объединить это оборудование в поточные линии. Следующим этапом автоматизации является создание автоматических линий.
Особенность автоматических линий из универсального оборудования - та же технология обработки, что и на поточных линиях из этих же станков. Некоторое увеличение производительности возможно благодаря сокращению вспомогательных ходов и их совмещения. Однако работа сблокированных станков приводит к дополнительным простоям, что снижает производительность.
Опыт эксплуатации подобных автоматических линий показывает, что наибольший рост производительности характерен для линий, состоящих из шлифовальных и других станков финишной обработки. В этом случае обрабатывают прецизионные заготовки с минимальным припуском при удобном отводе стружки. Кроме того, имеется значительная доля вспомогательных ходов на установку, закрепление и контроль при обработке, которая уменьшается при автоматизации. В линиях для токарной обработки вследствие отсутствия оператора часто происходит неправильная установка заготовки в патроне и механизмах конвейера, несвоевременная уборка стружки, что вызывает дополнительные простои.
125
Важным преимуществом автоматизации на базе универсального оборудования являются значительно меньшие денежные и трудовые затраты, чем при других видах автоматизации. Стоимость станков остается такой же, как и при их индивидуальном использовании. Во многих случаях применяют оборудование, которое уже длительное время работает на предприятии, и затраты на его приобретение окупились. Дополнительные затраты связаны со средствами автоматизации: автооператорами, конвейерами, системой управления. Сокращение числа обслуживающего персонала при минимальных затратах является основным достоинством автоматизации этого вида.
Различают следующие направления при разработке автоматических линий подобного типа: 1) станкостроительными заводами на базе серийно выпускаемых станков; 2) заводами-потребителями.
Некоторые станкостроительные заводы специализируются на изготовлении автоматических линий на базе многошпиндельных, гидрокопи-ровальных, многорезцовых, зуборезных и других видов автоматов и полуавтоматов. Специализация позволяет использовать прогрессивные методы проектирования и изготовления, нормализованные средства автоматизации, в результате чего снижаются затраты, сроки проектирования и повышается качество выпускаемых линий.
В соответствии с ГОСТ 4.130-88 основные показатели качества автоматических линий следующие: номинальная (без учета простоев оборудования) производительность, наибольшая масса устанавливаемой заготовки, число типоразмеров изготовляемых деталей, количество обслуживающего персонала, занимаемая площадь, масса, суммарная мощность, скорость транспортирования заготовок (деталей), размерная точность, точность формы и взаимного расположения поверхностей, параметр шероховатости поверхности, показатели надежности, технико-экономические и эргономические показатели и др.
На рис. 5.6 показаны схемы компоновки автоматической линии для изготовления валов. Линия может состоять из шести-семи станков, включая фрезерно-центровальный и гидрокопировальный станки. В некоторых случаях возможно применение фрезерных и зубофрезерных станков для фрезерования шпоночных пазов, шлицев и т.д.
Рис. 5.6. Схемы компоновки автоматических линий для изготовления валов
126
Загрузочное устройство 1 (рис. 5.6, а) цепного типа имеет задел заготовок. Шаговый конвейер 2 перемещает заготовки от одного станка к другому. Призмы конвейера перемещаются вертикально, при этом заготовки устанавливаются в рабочие позиции станков, а готовые детали перемещаются на конвейер. С последнего станка детали отводятся специальным разгрузочным устройством 3. В процессе обработки можно повернуть заготовку для обработки ступеней вала с другой стороны. На линии могут быть установлены контрольные устройства. Стружка отводится шнековым конвейером.
На некоторых автоматических линиях (рис. 5.6, б) для изготовления валов используют фронтальное расположение станков 1 с вынесенным конвейером 2. Конвейер расположен на высоте центров станков. Загрузка заготовок и выгрузка деталей осуществляются манипуляторами 3. Конструкции линий позволяют обслуживать их наладчиками без постоянного присутствия оператора.
Получило распространение создание автоматических линий заводами-потребителями на базе имеющихся поточных линий. На рис. 5.7 приведена схема автоматической линии для токарной обработки заготовок деталей типа колец, типичной в условиях подшипникового производства.
Рис. 5.7. Схема автоматической линии для токарной обработки заготовок типа колец
Происходит обработка заготовок колец нескольких типоразмеров. Заготовки находятся в магазинах-накопителях 1, откуда подъемником перемещаются на лотковые конвейеры 3, соответствующие каждому типоразмеру. По конвейерам заготовки перемещаются и распределяются с помощью наклонных желобов и подъемников по станкам - дублерам 2. Обработка каждой заготовки выполняется на двух станках. Снятие обработанных деталей и установка заготовок осуществляются автооператорами. На контрольных автоматах 4 происходит контроль.
При создании автоматических линий из универсального оборудования необходимо предварительно проанализировать ожидаемый техникоэкономический эффект по сравнению с достигаемым при эксплуатации поточных линий таких же станков. В ряде случаев поточные линии вполне конкурентоспособны.
При создании автоматических станочных систем на базе универсальных станков большое внимание следует уделять сокращению затрат на средства автоматизации и повышению надежности встраиваемого в автоматические линии оборудования. Необходимо создавать дешевые универ
127
сальные средства автоматизации (автооператоры, конвейеры, командоап-параты и т.д.)- При проектировании станков следует предусматривать возможность их встраивания в линии.
Московским СКБ автоматических линий и специальных станков разработана комплексная транспортная система типовых автоматических линий для межоперационной транспортировки и распределения в группе до 18 станков. Она состоит из конвейеров-распределителей, отводящих конвейеров, цепных подъемников, специальных распределителей и гибкой лотковой системы, соединяющей станки с конвейерами, подъемниками и магазинами. Все элементы транспортной системы унифицированы и позволяют двустороннее встраивание станков в типовые автоматические линии для производства подшипников.
Технические параметры транспортной системы
Диаметр колец, мм:
Наибольший	160
Наименьший	24
Общая установочная мощность, кВт	1,54
Скорость цепи конвейера, м/мин:
Наибольшая	5
Наименьшая	4
Темп приема и выдачи, с:
Наибольший	2,5
Наименьший	0,5
Высота конвейера выдачи колец, мм:
Наибольшая	3780
Наименьшая	0,5
Скорость цепи подъемника, м/мин	6
Темп работы подъемника, с:
Наибольший	4
Наименьший	1
Число каналов выдачи	от 2 до 5
Длина отводящего конвейера, мм:
Наибольшая	30000
Наименьшая	3200
Угол наклона лотков на прямых участках, град:
Наибольший	10
Наименьший	8
Угол наклона лотков на поворотах, град	15
Радиус поворотных лотков,	мм	300
На рис. 5.8, а приведена схема расположения оборудования автоматической линии ЛК 567 для полной токарной обработки карданного подшипника, а на рис. 5.8, б - чертеж изготовляемой детали. Производительность линии 3750 заготовок/ч, суммарная мощность электродвигателей 225 кВт.
128
Линия состоит из пяти токарных автоматов 2 на базе автоматов 1Б240-6, двух горизонтально-протяжных автоматов 5, бункеров 1, лотков 3 и подъемников 4.
Рис. 5.8. Схема расположения оборудования для полной токарной обработки корпуса карданного подшипника (а) и чертеж детали (б)
Система автоматических линий (САЛ) ТГШ013К1 предназначена для изготовления блока шестерен и выполняет черновое и чистовое точение, протягивание, обработку зубьев, снятие заусенцев, мойку и контроль. Планировка САЛ мод. САЛ-351 и чертежи изделия показаны на рис. 5.9, а, б.
В САЛ установлено 57 единиц технологического оборудования. Для загрузки используется напольный робот. Станки работают в автоматическом режиме благодаря накопителям вместимостью 10-25 заготовок, установленным перед каждым автоматом. Используются гравитационнороликовые и палетные конвейеры.
129
a
в
б
Рис. 5.9. Схема расположения оборудования для изготовления блок-шестерни (а) и чертежи детали (б, в):
1 - токарно-протяжная АЛ; 2 - хонинговально-токарная АЛ; 3 - зубодолбежная АЛ; 4 - зубоотделочная АЛ; 5 - зубозакругляющая и зубошевинговальная АЛ
Производительность САЛ-351 тыс. заготовок/год. Установленная мощность 865 кВт. Для обслуживания в две смены необходимо 30 производственных рабочих.
САЛ мод. САЛ-207Л предназначена для изготовления валов четырех наименований, чертеж одного из них показан на рис. 5.9, в.
САЛ состоит из двух автоматических линий, на которых выполняются: фрезерно-центровальная операция, черновая и чистовая токарная обработка, шлифование, фрезерование шпоночных пазов, накатка резьбы, сверление. САЛ комплектуется транспортно-загрузочными устройствами грузоподъемностью до 80 кг и гибкой конвейерной системой на роликовых конвейерах со спутниками. На САЛ осуществляется контроль наличия отверстий, обработанных на предыдущих операциях, и активный контроль на шлифовальных операциях. Периодическая смена режущего инструмента регламентируется числом циклов, фиксируемым специальным счетчиком. На рис. 5.10 приведены план САЛ (а) и чертеж вала (б). Производительность 418 тыс. заготовок/год. Установленная мощность оборудования 185 кВт. САЛ обслуживают четыре производственных рабочих при двусменной работе.
СА707Ла С А207ЛS
а
ив ±10
б
Рис. 5.10. Схема расположения оборудования САЛ для изготовления валов (а) и чертеж вала (б):
1 - фрезерно-центровальный автомат; 2,3- токарные автоматы; 4 — круглошлифовальный автомат; 5 - шпоночно-фрезерный автомат; 6 - резьбонакатный автомат
131
Для изготовления изделий типа «ступенчатый вал» используют типовые станки 8544К, МП6-654, 8В262 для отрезания прутков и правки заготовок с диапазоном обрабатываемых диаметров: 120 - 355 мм, многошпиндельные отрезные станки 16240-0, двусторонние центровальные полуавтоматы - 2А931, 2982, 2Г942 с максимальным диаметром вала до 100 мм и его длиной 1000 - 2000 мм, токарные станки 1Е140, 1Е713, 1736Ц с наибольшим диаметром обрабатываемой поверхности до 320 мм и длиной заготовки: 500-1400 мм, круглошлифовальные и бесцентровошлифовальные станки ЗТ161Д, ЗМ162, ЗШ184, ХШ2-15 с диапазоном максимально возможных диаметров обрабатываемой поверхности 80-350 мм и длиной заготовок до 1000 мм, а также большая группа станков для обработки зубьев колес, шпоночных пазов и шлицев, резьб, доводочные и другие станки. Все это оборудование может работать автономно вне автоматических линий.
При создании станков и проектировании АЛ необходимо учитывать возможность встраивания станков в автоматические системы. В станках предусматривается безопасное и компактное расположение зоны загрузки и выгрузки, автоматическое открытие и закрытие кожухов, возможность удобного транспортирования заготовок, их фиксации и зажима.
Большой проблемой является создание зажимных и захватных устройств, способных осуществлять опознавание, ориентирование и правильное базирование заготовок при наличии в них дефектов или при попадании стружки. Во многих случаях требуются обдувание заготовок, наличие са-моустанавливающихся зажимных устройств и контрольных приспособлений. Деталь должна поступать в приемное устройство без остатков стружки и соответствующим образом сориентированная. Для этого разрабатывают устройства принудительного удаления стружки из рабочей зоны. Для встраивания в автоматические системы одним из требований к универсальному оборудованию является возможность блокирования с другими станками в общую систему для удаления стружки.
5.3.	Автоматические линии на базе агрегатных станков
Автоматические системы из агрегатных станков являются одним из наиболее эффективных вариантов автоматизации.
Важная особенность линий этого типа - рост производительности по сравнению с производительностью линии на базе типового оборудования. Агрегатные станки - станки специализированные. Их создают исходя из технологического процесса для изготовления конкретной детали, что позволяет использовать широкие возможности дифференциации и концентрации операций, многопозиционную обработку, обработку заготовки одновременно с нескольких сторон и т.д. Линии собирают из серийно выпускаемых агрегатов и механизмов, что уменьшает затраты на автоматизацию, значительно сокращает время на проектирование, изготовление и отладку линий, повышает надежность работы. Автоматические линии из агрегатных станков допускают многократное использование составных элементов, что позволяет вносить изменения в существующие технологические процессы, менять объект производства.
132
Линии из агрегатных станков предназначены в основном для изготовления корпусных деталей, имеющих сложную форму и большое число технологических переходов. Наибольшее распространение получила обработка осевым инструментом (сверление, зенкерование, нарезание резьбы).
Широко применяют фрезерование плоскостей и пазов, используются и другие виды обработки (обтачивание, протягивание), а также контрольные и сборочные операции.
Автоматические линии из агрегатных станков создают для изготовления не только корпусных деталей с базовыми поверхностями, позволяющими надежно фиксировать и перемещать их с помощью конвейеров, но и деталей, которые сложно транспортировать и точно фиксировать в рабочей позиции. В таких случаях заготовки перед началом обработки закрепляют на приспособлениях-спутниках, и вместе с ними они перемещаются по позициям линии. На каждой рабочей позиции спутник фиксируется и зажимается, обеспечивая требуемую точность относительного положения заготовки и инструмента. Линии с приспособлениями-спутниками кроме основного конвейера имеют конвейер возврата спутников в загрузочную позицию.
На рис. 5.11 показан план типичной автоматической линии ХАЛ40П из агрегатных станков для изготовления деталей небольших размеров [3]. На линии выполняют сверление, фрезерование, развертывание, нарезание резьбы, цековку, центрование. Линия состоит из трех агрегатных станков с делительными поворотными столами, конвейера, загрузочных и вспомогательных устройств. Агрегатные головки имеют круговое расположение. Производительность 375 заготовок/ч. Суммарная мощность электродвигателей 31,6 кВт.
Рис. 5.11. План автоматической линии из агрегатных станков:
1 - станок 2ХА198П; 2 - станок 2ХА10Б2; 3 - станок 2ХА10БЗ; 4 - конвейер;
5 - электрооборудование

На рис. 5.12-5.14 показаны инструментальные наладки на изготовление детали на станках, входящих в автоматическую линию.
133
Рис. 5.12. Инструментальная наладка на станке 2ХА198П:
I-	загрузка; //-ориентация; ///-рассверливание; IV- фрезерование; V - сверление; снятие фаски (а) и развертывание (б); VI, VII- фрезерование; VIII - нарезание резьбы
Рис. 5.13. Инструментальная наладка на станке 2ХА10Б2:
/-загрузка; II, ///-сверление отверстий со снятием фаски; IV- нарезание резьбы; V - цекование; VI, И/// - сверление; VII- нарезание резьбы
134
Рис. 5.14. Инструментальная наладка на станке 2ХА10БЗ:
I- загрузка; II, V - зацентровка отверстий; III, VI - сверление; IV - кантовка; VII- нарезание резьбы; VIII- продувка
Основные размеры агрегатных станков и механизмов автоматических линий регламентированы (рис. 5.15):
Рис. 5.15. Основные размеры агрегатных станков и механизмов автоматических линий:
1 - силовой стол; 2 - упорный угольник; 3 - шпиндельная коробка; 4 - заготовка;
5 - силовая головка; 6 - делительный поворотный стол; 7 - зажимное приспособление
Ширина В основания силовой головки, мм
Ширина основания силового стола прямолинейного движения, мм
Диаметр D планшайбы делительного поворотного стола, мм
Расстояние Нот нижней плоскости станины до нижней установочной базы обрабатываемой заготовки, мм
63, 80, 100, 125 125, 160, 200, 250, 320, 400, 630, 800 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500,3150 850, 950, 1060, 1120, 1180, 1250,1320,1400
135
Допускается изготовление делительных поворотных столов с увеличением на одну ступень ряда Ra20 размеров D по сравнению с указанными выше. Допускается применение дополнительных размеров В по ряду RalO.
Коэффициент унификации агрегатного станка должен быть не менее 0,6. Если он меньше, агрегатные станки относят к разряду специальных станков.
На рис. 5.16 и в табл. 5.3 приведены соответственно основные размеры фрезерных бабок. Они предназначены для выполнения фрезерных работ в основном торцовыми фрезами и могут быть установлены в горизонтальном, наклонном и вертикальном положениях. Фрезерные бабки выполняются двух типов: без отскока пиноли, когда не требуется производить отвод инструмента от обработанной поверхности, и с отскоком пиноли. Нормы точности соответствуют ГОСТ 22410-87.
Рис. 5.16. Размеры фрезерных бабок
Типовая конструкция сверлильной бабки приведена на рис. 5.17.
Рис. 5.17. Сверлильная силовая головка
136
Шпиндель 1 встроен в чугунный корпус 2. Передней и задней опорами служат пары радиально-упорных подшипников 3 и 5. Регулирование натяга осуществляется путем уменьшения толщины внутренних распорных колец 7 и 9 по сравнению с толщиной наружных колец 6 и 8. Осевая сила воспринимается упорным шарикоподшипником 4. Бабка может устанавливаться на горизонтальную станину, вертикальную стойку или на наклонные основания. Предельные углы наклона указаны на рис. 5.18.
5.3. Основные размеры фрезерных бабок, мм
	Модель						Модель				
Параметр	У1Н4143	У1Н4144	У1Н4145, У1Н4146	У1Н4146, У1Н4166	У1Н4147, У1Н4167	Параметр	У1Н4143	У1Н4144	У1Н4145, У1Н4165	У1Н4146, У1Н4166	У1Н4147, У1Н4146
А	170	220	280	355	450	Предельное отклонение по ага4	±0.18	±0.18	±0.18	±0.28	±0.28
А/	—	65	80	100	130	dt	M12	M12	M16	M20	M20
В	200	250	320	400	500	d2xl	12x40	12x50	16x60	20x80	20x80
Di	125	160	200	250	320	т	25	35	40	50	50
d2	185	235	300	350	460	h	100	125	160	200	250
Н	200	250	320	400	500	h	50	50	100	100	100
L	320	400	500	630	800	l2	35	35	35	25	25
Li	100	125	125	160	160	h	15	18	22	25	25
а	45	50	75	80	100	h	150	175	240	270	200
ai	100	125	100	125	175	h	45	45	55	60	70
а?	200	225	150	275	475	l6	45	45	70	70	90
а3	—	—	300	425	575	h	40	. 50	60	75	95
а4	250	325	400	525	675	2 xdxD	8x42x48	8x56x65	8x62x72	10x102x112	10x112x125
п	8	8	10	10	10						
>77/7/7/777777/777777777777777///777'777'77
Рис. 5.18. Варианты установки силовой головки:
а - горизонтальный; б - наклонный с направлением рабочего движения вверх; в - наклонный с направлением рабочего движения подачи сверху вниз
137
Наибольший диаметр отверстия в стали 20 мм, в чугуне 25 мм. Частота вращения шпинделя от 50 - 5000 мин1. Наибольшая допустимая осевая сила 6300 Н, крутящий момент до 80 Нм.
Расточные бабки У1Е4111-У 1 El 17 с основными размерами по ГОСТ 21037-75 и нормам точности по ГОСТ 21186-87 выпускаются семи габаритных размеров.
Для каждого габаритного размера имеются различные варианты исполнения в зависимости от класса точности, длины вылета шпинделя, способа подачи охлаждающей жидкости и вида механизма поперечных подач. На рис. 5.19 показана конструкция, а в табл. 5.4 приведены основные данные расточных бабок.
Опорами шпинделя 4 в корпусе 5 служат двухрядный подшипник 10 и дуплекс из радиально-упорных подшипников 3.
Силы в осевом направлении воспринимаются упорными шарикоподшипниками 7, расположенными между кольцами 6 и 9. Пружины 8 создают предварительный натяг на упорных подшипниках, а компенсатор 11 служит для выборки зазоров. Предусмотрено отверстие 12 в крышке 13 для слива СОЖ. Для защиты от попадания масла сзади имеется фланец 2 с запрессованным в него стаканом 1. В случае применения бабки для подрезных работ внутри шпинделя устанавливается тяга с рейкой привода планшайбы.
Рис. 5.19. Расточная бабка
Для одновременной обработки большого числа отверстий одним силовым узлом разработаны многошпиндельные коробки, которые компонуются из нормализованных деталей в соответствии с технологическими требованиями обработки на агрегатных станках. Типовая конструкция шпиндельного узла приведена на рис. 5.20, а их основные размеры - в табл. 5.5. Нарезание резьбы производится с помощью специальных приставок с резьбовыми копирами.
Револьверные бабки с веерным расположением шпинделей служат для многопереходной обработки одной или нескольких заготовок с автоматической сменой инструмента. Они могут выполнять сверление, рассверли-138
ванне, зенкерование, развертывание, фрезерование, растачивание, а также многошпиндельную обработку при установке на них многошпиндельных коробок.
5.4. Основные технические параметры расточных бабок
	Модель (исполнение)						
	У1Е4111	У1Е4112	У1Е4113	У1Е4114	У1Е4115	У1Е4116	У1Е4117
	01	01020304	01020304	01020304	01020304	01020304	01020304
Ширина базовой плоскости, мм	125	160	200	250	320	400	500
Диаметр шпинделя в переднем подшипнике, мм	40	60	80	100	130	160	200
Номер условного размера переднего конца шпинделя по ГОСТ 12595-82	3	4	5	6	8	11	15
Частота вращения шпинделя, мин’1 Зубчатый привод Ременный привод	—	41-1228 462-2500	32-1063 475-1600	28-877 475-1600	25-829 332-1000	22-766 287-1000	16-698
Допустимый наибольший крутящий момент, Н м	10	200	400	800	1600	3200	6300
Допустимая наибольшая сила, Н	1600	2500	4000	6300	10000	16000	25000
Наибольший диаметр растачиваемой поверхности, мм	100	125	160	200	250	320	400
Габаритные размеры, мм Длина Ширина Высота	370 125 125	455 130 130	575-495 200 200	705-605 250 250	875-725 320 320	1100-905 400 400	1285-090 500 500
Примечание. Класс точности расточных бабок Н.
Рис. 5.20. Шпиндельный узел агрегатного станка
Бабки устанавливают под любым углом к плоскости станины при направлении рабочей подачи сверху вниз и только под углом 0-15°, если движение подачи осуществляется снизу вверх. На рис. 5.21 приведены типовые конструкции револьверных бабок моделей УХ3012 и УХ3022. В табл. 5.6 даны их основные технические характеристики.
139
5.5. Основные размеры шпиндельных узлов, мм
d	di	D	Di	L	Lj	L2	L3	l4	b	t	d2
15	16	25	28	80	14	21	34	47	5	17.3	30
			32								
			35								
20	20	32	37			21	34	47	5	21.9	39
			42								
			47								
25	25 25	37 40	47	100	120	23	38	53	6	26.7	48
			52				48	53		29.7	
30 35	36	50	55			28	45	62	8	38.6	56
			62								
											63
			62								
			72								
45	48	67	75	120	130	40	57	74	12	50.1	78
			85								
50	60	90	90	140	150	30	60	90	16	63.6	98
65			120								165
80	80	ПО	140	160	170						185
Рис. 5.21. Револьверные бабки: а - модель УХ3012; б - модель УХ3022
140
Силовые столы предназначены для установки на них узлов главного движения или зажимных приспособлений с обрабатываемыми заготовками. Наибольшее распространение получили силовые столы с гидравлическим и электромеханическим приводом подачи.
Широко распространенные силовые столы с гидравлическим приводом У1Н4511 - У1Н4517 обеспечивают наибольшую силу подачи от 6,3 -100 кН, наименьшую скорость рабочей подачи 50-3,5 мм/мин, скорость вспомогательного хода 8-6 м/мин.
5.6. Основные технические параметры револьверных бабок
Параметр	Габа	риг 1	Габа	рит2
Число шпинделей	6	4	6	4
Модель	УХ3011	УХ3021	УХ3012	УХ3022
Условный диаметр сверления в стали с <ув=500.. .600 мПа	6	10	10	16
Наибольшая осевая сила, Н	1000	2000	2000	4000
Наибольшая частота вращения шпинделя, мин"1	4000	2000	2000	10000
Наибольший крутящий момент, Нм	5	10	10	20
Примечания:
1. Время поворота шпинделя на одну позицию 3 с
2. Мощность 2 кВт
3. Регулирование частоты вращения бесступенчатое
При установке силовых столов в наклонном или вертикальном положении при направлении рабочего движения подачи сверху вниз подвижные части должны уравновешиваться противовесом. Класс точности столов Н и П.
Силовые столы с электромеханическим приводом подач У7Х4531 построены по типовой кинематической схеме, характерной для многих видов силовых столов (рис. 5.22).
Рабочее движение подачи осуществляется от электродвигателя рабочей подачи Mi через сменные зубчатые колеса a/b c/d на вал К, а затем через сменные зубчатые колеса е/ f, фрикционную предохранительную муфту ПМ, зубчатые колеса 7, 2, 3, 4, электромагнитную муфту ЭМ и зубчатые колеса 5, 6 на ходовой винт 8. Ходовая гайка 7 закреплена неподвижно на платформе 9.
Ускоренные перемещения осуществляются от электродвигателя через зубчатые колеса 5, 6 на ходовой винт 8. Изменение направления ускоренных перемещений происходит благодаря реверсированию электродвигателя.
Размеры рабочей поверхности стола 400x200 мм. Ход столов различных типоразмеров 160-400 мм. Наибольшая сила подачи 6300 Н. Скорости рабочих подач: наименьшая 20 мм/мин, наибольшая 897 мм/мин. Наибольшая мощность электродвигателя привода главного движения 1,5 кВт. Скорость ускоренных перемещений 7,8 м/мин.
При направлении рабочего движения подачи сверху вниз стол может быть установлен под любым углом к горизонтальной плоскости.
141
Установка стола вертикально или наклонно при движении подачи снизу вверх недопустима.
Необходимость смены видов изготовляемых изделий даже в условиях крупносерийного и массового производства привела к созданию в системах из агрегатных станков широкономенклатурных переналаживаемых автоматических линий.
Рис. 5.22. Кинематическая схема силового стола с электромеханическим приводом
На рис. 5.23 приведена схема компоновки оборудования фирмы Gross (ФРГ) для изготовления группы однотипных сложных корпусных деталей. Комплекты унифицированных узлов 7, 7, 7 встроены в три автоматические линии, каждая из которых имеет замкнутую систему транспортирования шпиндельных коробок, которые могут быть соединены между собой перемычками 70, 3, 9 и 6. В состав станочной системы входят три многоцелевых станка 2, 5 и S, т.е. используется и типовое универсальное оборудование, что является характерным признаком современных автоматических станочных систем.
Рис. 5.23. Схема компоновки широкономенклатурной автоматической линии фирмы Gross 142
На рис. 5.24 показана схема работы широкономенклатурной автоматической линии фирмы Renault (Франция) для изготовления 23 видов полукорпусов дифференциалов. Линия состоит из двух комплектов унифицированных узлов 1 и 6, двух автоматически действующих секций транспортеров шпиндельных коробок 2 и 4, стеллажа 3 для складирования используемых в цикле шпиндельных коробок, трех позиций 10 установки обрабатываемых заготовок на приспособления-спутники, двух рабочих позиций 8 и 11, позиции 9, которая может быть использована для промежуточного контроля.

Рис. 5.24. Схема работы широкономенклатурной автоматической линии ММС фирмы Renault
Силовой стол с редуктором 7 для закрепления шпиндельных коробок 5, механизмы подачи этих коробок 12 и набор секций конвейера унифицированы и могут использоваться в других структурных вариантах.
Фирма Comau (Италия) изготовила для ВАЗа систему переналаживаемых автоматических линий для изготовления четырехцилиндрового блока цилиндров автомобиля трех модификаций. Система предназначена для фрезерования, сверления, зенкерования, резьбонарезания, растачивания и состоит из шести автоматических линий (рис. 5.25).
143
Рис. 5.25. Система переналаживаемых автоматических линий фирмы Comau:
а - для чернового фрезерования: 7,15 - кантователи заготовок; 2, 4, 7, 9, 10,12-14- нерабочие позиции; 3,6,8,11 - рабочие позиции; 5,16,17,18- фрезерные головки; б - для чистовой фрезерной обработки: 1 - кантователь; 2 - нерабочая позиция; 4 - рабочая позиция; 3, 5-11 - фрезерные головки; в - для сверлильной обработки торцовых плоскостей: 1 - кантователь заготовок; 2 - нерабочая позиция; 3 - рабочая позиция; 4, 6, 8, 10, 13, 15, 17, 19-сверлильные и резьбонарезные головки; 5, 7, 9,11,'12, 14,16, 18 - контрольные головки; г -для сверлильной обработки на боковых плоскостях: 1 - кантователь заготовок; 2 -нерабочая позиция; 3 - рабочая позиция; 4, 6, 9, 10 - сверлильные головки; 5, 7, 8 -контрольные головки; д - для сверлильной обработки на боковых плоскостях: 1, 12 -кантователи заготовок; 2 - нерабочая позиция; 3 - рабочая позиция; 4, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 17, 19, 27 - сверлильные и резьбонарезные головки; 5, 7, 10, 14, 18, 20 - контрольные
головки е - для растачивания: 7, 7 - кантователи заготовок; 2 - нерабочая позиция;
3 - рабочая позиция; 4-6, 8-10 - расточные головки
144
5.4.	Автоматические линии на базе специальных станков
Автоматические станочные системы из специальных станков в большинстве случаев предназначены для изготовления деталей только одного вида (подшипники, метизные изделия, детали и некоторые запасные части массовой продукции машиностроения и т.п.). Переналадка связана со значительными затратами, а иногда невозможна.
Преимуществом такой автоматизации является возможность обеспечения высокой производительности, так как технологический процесс и оборудование проектируются специально для выбранной детали. В этих случаях часто удается объединить в единую технологическую цепочку процессы получения заготовки, механическую и термическую обработку, контроль, сборку, а иногда смазывание и упаковку готовой продукции.
Наличие специального оборудования приводит к значительным дополнительным затратам, а также увеличивает сроки проектирования, изготовления и отладки автоматических линий. Практика создания и эксплуатации этих линий показала, что экономический эффект может быть достигнут лишь при условии значительного роста производительности оборудования, что достигается применением новых, прогрессивных технологических процессов и машин.
Созданы и эксплуатируются несколько цехов-автоматов по производству подшипников. На рис. 5.26 показан план автоматического цеха карданных подшипников. Цех включает четыре технологических потока, состоящих из объединенных в единую цепочку автоматических линий, на которых производится изготовление трех видов карданных подшипников.
Рис. 5.26. План автоматического цеха по производству карданных подшипников:
1 - заготовительный участок; II — токарный участок; III — термический участок; IV - шлифовальный участок; V - контрольно-сборочный участок; 1 - галтовочный автомат; 2 - автомат для омыливания и сушки; 3 - пресс для рубки заготовок; 4 - автоматический стеллаж; 5 - пресс для калибровки заготовок; 6 - установка для отжига заготовок; 7 - автомат для обезжиривания и сушки; 8 - пресс для выдавливания заготовок; 9-токарный многошпиндельный автомат; 10 - автомат для снятия фаски; 11 - автомат для протягивания паза; 12, 14 - магазины-накопители; 13 - термическая печь; 15, 16 - бесцентрово-шлифовальные автоматы; 17 - автоматы для шлифования беговой дорожки и донышка; 18 - плоскошлифовальный автомат; 19 - контроль; 20 - автомат для мойки; 21 - автомат для маркировки; 22 - сборочный автомат; 23 - автомат для перепроверки колец; 24 - автомат для контроля колец; 25 - автомат для контроля подшипников; 26 - автомат для смазывания и упаковки; 27- автомат для упаковки в бандероли
145
Автоматическая система машин охватывает в пределах цеха все основные звенья производственного процесса, характерные для машиностроительного предприятия. Исходной заготовкой для изготовления колец служат прутки. На заготовительном участке холодной штамповкой получают заготовку, которая по форме близка к изделию. От работы этого участка, выбранной технологии и оборудования во многом зависит работа всего автоматизированного комплекса. Использование заготовки, близкой по форме к изделию, позволяет резко сократить количество оборудования для механической обработки, упростить конвейерную систему, повысить надежность работы всего оборудования.
Заготовка проходит токарную обработку, затем осуществляется протягивание паза, шлифование торца, наружной и внутренней цилиндрической поверхностей, а также термическая обработка. Использование магазинов-накопителей и систем-дублеров позволяет работать в едином ритме оборудованию различного типа. Готовые кольца контролируются на автоматах и попадают на сборочный участок. После этого происходят окончательный контроль и упаковка готовой продукции.
Высокие технико-экономические показатели цеха-автомата обусловлены тщательно разработанным технологическим процессом. Широко применяются бесцентрово-шлифовальные станки, непрерывное протягивание, прогрессивные методы термической обработки, высокопроизводительное оборудование для производства игл.
Во многих станочных системах, предназначенных для массового и крупносерийного производства, кроме специальных станков, применяют агрегатные станки и типовое оборудование, серийно изготовляемое предприятиями.
САЛ мод. МЕ965 Л01/Л09 предназначена для изготовления алюминиевых поршней и состоит из шести автоматических линий и участка анодирования, фосфатирования, коллоидно-графитового покрытия, консервирования и упаковки поршней. Ее план показан на рис. 5.27. АЛ МЕ965Л01 (7) содержит участок токарной обработки из пяти специальных токарных автоматов, участок из шести агрегатных станков для предварительной обработки камеры сгорания и подготовки баз и участок для сверления маслоотводящих отверстий из двух агрегатных станков. АЛ мод. МЕ965Л02 (II)
Рис. 5.27. План САЛ для изготовления поршней
146
состоит из пяти специальных двухшпиндельных вертикальных автоматов для занижения вставки и протачивания канавок и участка контроля. АЛ мод. МЕ965ЛОЗ (III) состоит из пяти специальных двухшпиндельных вертикальных автоматов для получистовой обработки наружных поверхностей, подрезания канавок и днища. АЛ мод. МЕ965Л04 (IV) - для предварительной обработки отверстий под поршневой палец состоит из двух агрегатных станков. АЛ мод. МЕ965Л05 (V) состоит из 15 специальных расточных станков для чистовой обработки камеры сгорания, участков финишной обработки наружных поверхностей, чистовой обработки отверстия под палец мойки, сушки и подгонки поршней по массе. АЛ мод. МЕ965Л09 (VI) предназначена для электромеханического снятия заусенцев и контроля поршней. Проводится анодирование, фосфатирование, консервация и упаковка поршней.
На рис. 5.28 и 5.29 приведены соответственно чертеж детали и схемы ее изготовления. Производительность 1100 тыс. заготовок/год. Суммарная мощность 1608 кВт. САЛ обслуживают в две смены 50 производственных рабочих.
1035 ±0102 ЩМ± 0,0025
*0,2
1,075±0,003 $093 ±0,0035
Ф66
0,018 ±0,02
1,005 ±0,0001
1100
1,010 ±0101
1120 ±0,0015
X Т0,02 Ж
'100 Ж
28,7
Рис. 5.28. Чертеж поршня
0,63

САЛ мод. ЛБ0241, ЛБ0242, ЛБ0246 предназначены для механической обработки шкива (рис. 5.30) и состоят из агрегатных станков спутникового типа и специальных станков. Заготовки загружает робот на входной конвейер-накопитель, из которого портальный манипулятор загружает их на спутник линии. После обработки заготовка снимается со спутника портальным манипулятором на прямолинейный конвейер-накопитель АЛ, состоящий из специальных вертикальношпиндельных станков, работающих методом тангенциального резания. Загрузка и выгрузка осуществляются автоматически. Затем происходит обработка на пяти агрегатных станках. План САЛ приведен на рис. 5.31.
147
Рис. 5.29. Последовательность обработки поршня
«'(У)
HSSS
0отв$13Н14 ----------
ШО
л-
0 479, в2 h14(-itSSy
0 200Н9 Ф224
0 455 ± 0,5
Ф246Н14

3отв. 29,5Н9
R120-
Фвв*0’91
э
Рис. 5.30. Чертеж шкива
148
Рис. 5.31. План САЛ для изготовления шкивов:
1 - АЛ мод. ЛБ0241; 2 - АЛ мод. ЛБ0242; 3 - АЛ мд. ЛБ0246; 4 - робот;
5 - накопитель; 6 - манипулятор
Таким образом, выполняются следующие операции: растачивание, подрезание, сверление, зенкерование, снятие фасок, точение наружной поверхности, подрезание торцов, точение ручьев шкива. Производительность 84,3 тыс. заготовок/год, мощность всего оборудования 320 кВт. САЛ обслуживают шесть рабочих при двусменной работе.
Для полной механической обработки заготовок сложных деталей больших размеров в условиях массового производства типично применение САЛ для изготовления блока цилиндров [3]. Ее план приведен на рис. 5.32. В единой производственной цепочке работают 22 автоматические линии, состоящие из ПО станков с суммарной мощностью электродвигателей 2923 кВт. Занимаемая площадь 6562 м2. Производительность 36 заготовок/час.
САЛ выполняет обработку базовых поверхностей и отверстий блока цилиндров на двухпоточной линии с последующей обработкой на однопоточных линиях отверстий, плоскостей и опор коленчатого и распределительного валов, блока крепежных отверстий, маслопроводящих каналов, выполняется сборка блока с крышками коренных опор, запрессовываются штифты, закрепляются болтами крышки. Чистовая обработка опор коленчатого и распределительного валов и отверстий под гильзы цилиндров выполняется в двух параллельных потоках.
На САЛ установлено измерительное оборудование, работающее в автоматическом режиме. Предусмотрены неавтоматизированный контроль и участок ремонта блоков, который расположен параллельно потоку обрабатываемых заготовок.
На рис. 5.33 показан план САЛ для изготовления картера заднего моста из ковкого чугуна. Линии работают без спутников. Для загрузки используются портальные манипуляторы, работающие в автоматическом режиме. Предусмотрены контроль целостности стержневого инструмента, система принудительной смены инструмента после обработки определенного числа заготовок, моечные позиции. Производительность 124 тыс. заготовок/год, суммарная мощность 390 кВт, число производственных рабочих при работе в две смены 16. На рис. 5.34 приведен чертеж изготовляемой детали.
149
Заготовки
Рис. 5.32. План САЛ для изготовления блока цилиндров:
/ - АЛ мод. IЛ325А; 2 - накопитель; 3 - АЛ мод. IЛ325Б; 4 - АЛ мод. IЛ325В; 5 - АЛ мод. IЛ325Г; 6 - АЛ мод. IЛ325Ж; 7 - АЛ мод. IЛ325Е; 8 - АЛ мод. IЛ325Ж; 9, 18, 24, 27 - моечные 10 - АЛ мод. 1Л325И; 11 - АЛ мод. 1Л325К; 12 - АЛ мод. 1Л325Л; 13 - АЛ мод. 1Л325М; 14 - АЛ мод. 1Л325Н; 15 - АЛ мод. 1Л325П; 16 - АЛ мод. 1Л325Р; /7 - АЛ мод. 1Л325Т; 19 - участок контроля герметичности масляных каналов; 20 - АЛ мод. 1Л325У; 21 — АЛ мод. 1Л325Ф; 22 — АЛ мод. 1Л325Ш; 23 — АЛ мод. 1Л325Ю; 25 — участок контроля герметичности водяных полостей; 26 -АЛ мод. 1Л325Я; 28 -участок ручного контроля;
29 - участок ремонта блоков; 30- конвейер ремонтного участка
15000
Рис. 5.33. План САЛ для обработки картера заднего моста:
/ - накопитель; 2 - АЛ мод. ЛБ0254; 3 - манипулятор портальный; 4 - АЛ мод. ЛБ0255; 5 — АЛ мод. ЛБ0256; 6 — АЛ мод. ЛБ0257; 7 — АЛ мод. ЛБ0258; 8 — место загрузки крышек;
9 — место загрузки болтов
150
5-Б
Важным направлением развития автоматических станочных систем из специальных станков является создание многономенклатурного производства с возможной переналадкой оборудования в условиях массового и крупносерийного производства, т.е. сочетание преимуществ специальных станков с широкими технологическими возможностями универсального оборудования. На рис. 5.35 показана схема расположения оборудования САЛ фирмы Comau (Италия) для изготовления семи типов корпусов и пяти крышек клапанов машин нефтехимической промышленности. АЛ состоит из отдельных многопозиционных станков 1, 4, 5, 6, 8, 9 и автоматических линий спутникового типа 2, 3, 7. Производительность комплекса 40 загото-вок/ч при загрузке 75 %.
151
1	Z	з 4
7
Рис. 5.35. Схема расположения оборудования фирмы Comau для изготовления корпусных деталей
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматические линии в машиностроении: Справочник. В 3-х т. - М.: Машиностроение, 1984 - 1985. Т.1 / Под ред. Л.И. Волчкевича, 1984. - 312 с. Т.2 / Под ред. А.И. Да-щенко, 1984. - 408 с. Т.З / Под ред. А.И. Дащенко, Г.А. Навроцкого, 1985. - 480 с.
2.	Металлорежущие станки и автоматы / Под ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1981.-479 с.
3.	Шаумян Г.А. Комплексная автоматизация производственных процессов. - М.: Машиностроение, 1973. - 640 с.
Глава 6.
СТАНОЧНЫЕ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ РОТОРНЫХ МАШИН
6.1. Роторные машины и линии.
Номенклатура изготовляемых изделий
Процесс обработки металлов резанием характеризуется сложностью кинематических схем. Так, для выполнения достаточно простых операций, например сверления или поперечного обтачивания, требуются два движения - соответственно вращение инструмента и его продольное перемещение или вращение заготовки и поперечное перемещение инструмента. Если же осуществляются более сложные процессы (зубофрезерование, шлифование и т.п.), то требуются три-четыре основных движения, а также ряд вспомогательных, настроечных операций. Поэтому для выполнения этих операций необходимы технологические машины, кинематические схемы которых весьма сложны. Кроме того, реализация операций механической обработки на роторных машинах затруднена тем, что обработка происходит в нескольких позициях (одновременно, но со сдвигом фаз начала обработки) в процессе транспортирования (рис. 6.1), а это еще более усложняет конструкцию, снижает точность обработки и затрудняет удаление стружки. Этим объясняется ограниченное применение роторных машин и линий для механической обработки.
Рис. 6.1. Схема операции фрезерования торца, выполняемой в шестипозиционной роторной машине
В случае реализации технологического процесса изготовления изделий на автоматических роторных линиях проводится тщательный анализ процесса с целью замены резания другими, с более простыми кинематическими схемами и сведения операций механической обработки к минимуму.
Другим ограничивающим фактором применения машин и линий являются габаритные размеры. Для обработки изделий диаметром 5-6 мм и
153
длиной 20 - 25 мм наружный диаметр технологического ротора должен составлять 300 - 350 мм.
В соответствии с ГОСТ -
Рис. 6.2. Технологический ротор с двусторонним механическим приводом: 1 - главный вал; 2 блок верхних ползунов; 3 - шток; 4 - инструментальный блок;
5 - блок нижних ползунов
14334-87 технологический ротор (ТР) (рис. 6.2) - это система исполнительных органов, обеспечивающая выполнение технологической операции и вспомогательных переходов в процессе непрерывного вращения.
Транспортный ротор (ТрР) (рис. 6.3) - система захватных органов, обеспечивающая прием, транспортирование и выдачу предметов производства в процессе непрерывного вращения.
Конвейерное устройство (КУ) - замкнутая гибкая система, обеспечивающая транспортирование предметов производства, инструментальных блоков или их составных частей.
Роторная машина (РМ) -совокупность технологического ротора с инструментом и транспортных роторов, связанных общим приводом для их синхронного вращения. Она обеспечивает автоматическое выполнение технологической операции в процессе непрерывного транспортирования предметов производства и инструмента.
Роторно-конвейерная машина (РКМ) - совокупность технологических роторов, огибаемых конвейерным устройством с инструментом, которые связаны общим приводом для их синхронного перемещения по замкнутым траекториям. Она обеспечивает автоматическое выполнение технологической операции в процессе непрерывного транспортирования предметов производства и инструмента.
Автоматическая роторная линия (АРЛ) - совокупность роторных машин, установленных в последовательности, необходимой для выполнения технологического процесса. Она объединена системой привода транспортного движения и управления, которая функционирует без участия человека.
154
4
1 2	3
Рис. 6.3. Транспортный ротор:
1 — регулировочное устройство; 2 — фиксаторы; 3 - диск; 4 — предмет обработки заготовки; 5 - пружина; 6 - вал; 7 - зубчатое колесо
Автоматическая роторно-конвейерная линия (АРКЛ) (рис. 6.4) - совокупность роторно-конвейерных машин или роторноконвейерных и роторных машин, установленных в последовательности выполнения технологического процесса, объединенных системой привода транспортного движения и управления. Она функционирует без участия человека.
Рис. 6.4. Автоматическая роторно-конвейерная линия:
1,2, 3 - конвейеры, несущие соответственно предметы обработки, кондукторные втулки и шпиндели для зажима инструмента; 8, 5, 6, 7, 10, 4 - роторы соответственно загрузки предметов обработки; смыкания инструментов, сверления отверстий, размыкания инструментов, передачи предметов обработки, автоматической смены инструментальных блоков;
9 - звездочки конвейеров
155
Комплексно-автоматизированное производство (КАП) - совокупность АРЛ и АРКЛ, установленных в цехе-автомате в последовательности выполнения технологического процесса и объединенных системами межлинейного транспортирования, единого энергоснабжения, управ
ления и т.п.
Рис. 6.5. Инструментальный блок отрезания заготовки:
1 - шток; 2 - зубчатое колесо; 3 - корпус; 4 - подшипник; 5 -втулка; 6 - суппорт; 7 - резцы;
8 — заготовка; 9 - шток
Важнейшим узлом технологического ротора и конвейерного устройства является инструментальный блок (ИБ) (рис. 6.5), представляющий собой сменную часть для размещения инструмента и приспособлений, обеспечивающий выполнение технологической операции и вспомогательных переходов.
Основное свойство РМ - независимость транспортных и технологических движений в них, в результате чего производительность РМ может быть выбрана независимо от длительности технологического цикла обработки путем увеличения или уменьшения числа рабочих позиций. Это позволяет, во-первых, создавать машины с экономически необходимой производительностью, с наперед заданным сроком окупаемости и, во-вторых, разрабатывать РМ с одинаковой производительностью для различных по длительности и физической сущности технологических операций, что в итоге обеспечивает эффективное решение проблемы комплексной автоматизации всего технологического процесса изготовления изделия.
В отличие от обработки на металлорежущих автоматах параллельного действия, которые фактически представляют собой совокупность однопоточных машин, обработка со сдвигом (см. рис. 6.1) позволяет ряд узлов и устройств АРЛ сделать общими и использовать для всех ИБ. В частности, для загрузки полуфабрикатов устанавливается одно загрузочное устройство, привод является общим для всех ИБ, копиры, кулачки и т.п. также являются общими и контактируют последовательно со всеми ИБ.
Как видно на схеме обработки, зона загрузки и зона выгрузки в РМ разделены, что позволяет во время вращения ротора на участке холостого хода контролировать состояние рабочего инструмента и при его поломке или наличии других дефектов снять и ус-
тановить новый инструмент.
РМ возможно создавать для выполнения любых операций механической обработки самых различных деталей. Установлено, что наиболее це-
156
лесообразно изготовлять на АРЛ детали, представляющие собой тела вращения диаметром 4...50 мм и длиной 10... 150 мм. На рис. 6.6 представлены детали, изготовляемые на существующих АРЛ с указанием операций.
Рис. 6.6. Типовые заготовки и операции при механической обработке, выполняемые на существующих автоматических роторных линиях:
а - протачивание, точение, обтачивание; б - отрезание, подрезание; в - сверление, зенкование; г - фрезерование наружных граней; д - фрезерование или нарезание резьбы; е - подрезание, сверление
157
Межоперационная передача заготовок практически применяется лишь для предметов, имеющих форму тел вращения. Для передачи заготовок произвольной формы требуется совместное транспортирование их и инструмента во временно сориентированном положении, что усложняет кинематику роторных питающих и межоперационных транспортных устройств и не позволяет обеспечить необходимое время для выполнения передачи заготовок. Поэтому передача заготовок произвольной формы в АРЛ не получила практического применения.
На операциях большой продолжительности применение роторных машин ограничивается увеличением диаметра ротора, в результате чего ухудшаются экономические показатели роторной машины вследствие увеличения стоимости на единицу произведенной продукции.
Автоматическая смена инструмента в АРЛ принципиально возможна, поскольку время для ее выполнения может быть выделено при любой производительности. Однако практически она не может быть реализована, так как требует экономически неприемлемых решений. Вследствие того, что практически невозможно осуществить автоматическую смену инструмента и другие виды его обслуживания, остаются неустранимыми простои роторных машин.
Конструкции роторных машин не могут обеспечить высокого уровня непрерывности потока. В РМ шаговое расстояние между предметами обработки определяются не их размерами в направлении потока и не габаритными размерами инструмента в том же направлении, а габаритными размерами исполнительных органов, сообщающих инструменту рабочее движение. Поскольку эти габаритные размеры, как правило, во много раз больше соответствующих размеров инструмента и заготовки, то шаговое расстояние между заготовками во много раз больше размеров заготовки и, следовательно, плотность потока не является максимальной.
У роторных машин высокая производительность достигается при увеличении скорости потока и уменьшении времени прохождения инструментом сектора приема и передачи заготовок, что ухудшает условия выполнения этих функций.
Несовершенство структуры роторных машин обусловливает неполное использование исполнительных органов, обеспечивающих необходимые движения отдельных инструментов. Возможности роторных машин ограничиваются постоянством связи инструмента с необходимыми ему исполнительными органами машины.
Роторно-конвейерные машины лишены основных недостатков роторных машин. Принципиальным отличием роторно-конвейерных машин от роторных является временная связь инструментов с исполнительными органами ТР. Для достижения временных связей между инструментом и исполнительными органами инструмент монтируют в замкнутом конвейере, огибающем ряд обслуживающих роторов. В каждом из них размещают только такие исполнительные органы, которые необходимы на данной фазе операционного цикла.
Транспортным элементом АРК Л является цепной конвейер, который предназначен для перемещения рабочего инструмента и заготовок в линии и не осуществляет передачу вращательного движения к технологическим роторам через звездочки этих роторов.
158
6.2. Разновидности роторных технологий, машин и линий
Наиболее простая кинематическая схема у технологического ротора, выполняющего операции «протягивание», для реализации которой требуется лишь одно прямолинейное поступательное движение (рис. 6.7, а). В этом случае применяют типовые роторы для вытяжных операций.
Рис. 6.7. Роторные машины для выполнения типовых операций механической обработки: а - протягивание, б - попутное точение; в - поперечное точение; г - сверление; д - продольное точение; е - многопроходное продольное точение; ж - фрезерование; з - продольное шлифование за несколько ходов; 1 - ползун; 2 - шток; 3 - режущий инструмент; 4 - заготовка; 5 - зажимное приспособление; 6 - корпус блока; 7 - блокодержатель;
8 - главный вал; 9 - привод; 10 - копир; пр - частота вращения ротора
159
При обработке наружных поверхностей заготовок типа тел вращения методом наружного непрерывного протягивания или методом попутного тангенциального точения заготовке необходимо сообщить лишь одно вращательное движение (рис. 6.7, б).
Одной из наиболее распространенных схем обработки типа тел вращения на РМ является обработка поверхностей широким резцом методом поперечного точения (рис. 6.7, в). В этом случае заготовке необходимо обеспечить вращательное движение, а резцу - радиальное (поперечное) движение подачи от неподвижного копира, установленного на станине роторной машины.
При выполнении сверлильных операций заготовке (или инструменту) сообщается вращательное и поступательное движения (рис. 6.7, г - ж).
Значительно сложнее схемы обработки проходным резцом фасонных поверхностей (рис. 6.7, д), сверлением в случае повышенных требований к точности для повышения скорости резания или при нарезании резьбы (рис. 6.7, е), фрезерованием коротких участков деталей типа тел вращения (рис. 6.7, ж), шлифованием цилиндрических деталей методом последовательных рабочих ходов (рис. 6.7, з).
На основании анализа схем обработки и опыта создания АРЛ для выполнения операций механической обработки установлено, что для реализации четырех последних схем служат чрезвычайно сложные по конструкции и ненадежные в работе роторы, и в большинстве случаев эксплуатация таких АРЛ неэффективна.
Кинематическая схема является определяющим фактором при разработке конструкций технологических роторов. Вместе с тем в пределах одного и того же класса процессов технологические роторы различаются в зависимости от технологических параметров (рабочих ходов, угловых скоростей, сил, положения заготовки, способов ее базирования и установки и т.п.), характера привода, расположения рабочих органов, наличия кинематических пар, разновидности заготовок, а также от формы инструментов в роторе и самого ротора. Технологические роторы различаются также по числу выполняемых технологических переходов и способу их выполнения.
Наиболее просты по конструкции технологические роторы, применяемые для операций, требующих прямолинейного поступательного движения. При этом, если для выгрузки детали не требуется выталкивателя, то ротор содержит один инструмент и один исполнительный орган, сообщающий этому инструменту движение. Такие роторы называют односторонними. При наличии выталкивателя и другого исполнительного органа ротор совершает два самостоятельных независимых прямолинейных движения и называется двусторонним.
В зависимости от типа привода исполнительных органов технологические роторы могут быть механическими, гидравлическими, пневматическими и комбинированными.
По расположению оси ротора в пространстве различают роторы с вертикальной, горизонтальной и наклонной осью, а по расположению оси рабочего органа относительно оси ротора - цилиндрические, конические, гиперболические и радиальные.
В основном применяются технологические роторы с вертикальной осью.
160
От технологических энергетических затрат на операцию и величин рабочих ходов инструмента зависит характер и система его привода.
В цилиндрических роторах с механическим приводом, в которых прямолинейное рабочее движение совершается по образующим цилиндра, ползуны перемещаются в направлении, перпендикулярном к плоскости вращения, что наиболее удобно для сообщения им движений от неподвижных копиров. Двусторонний цилиндрический ротор с механическим приводом имеет центральный вал с закрепленными в его средней части дисками (блокодержателями) с пазами для установки инструментальных блоков и два цилиндрических барабана. В пазах барабанов соосно с инструментальными блоками расположены ползуны, которые приводятся в движение роликами, скользят по неподвижным пазовым или торцовым копирам и соединены быстросменными байонетными замками в осевом направлении с подвижными инструментами. Односторонний ротор характеризуется тем, что его корпус имеет лишь один барабан с ползунами и соответственно одну группу неподвижных копиров. Во избежание поломок механизмов при возможных перегрузках торцовые кулачки снабжены амортизаторами.
Механический кулачковый привод применяют для обеспечения усилий не более 10...20 кН. Кроме того, созданы роторы с механическим приводом, имеющие расширенные технологические возможности. В них привод ползунов выполнен в виде установленного наклонно к валу ротора (на подпятнике) диска, размещенного в стакане и связанного шарнирно с помощью шатунов с каждым из ползунов. Такие роторы называют роторами с наклонной шайбой. Они позволяют передавать усилие до 80 кН.
Гидравлический привод рабочего инструмента применяют для обеспечения усилий до 100...150 кН, при этом давление рабочей жидкости (индустриального масла) в гидросистеме должно составлять 15...30 МПа, скорость движения жидкости при наполнении - 3,5...4,5 м/с, а при сливе -1,5...2,0 м/с.
Гидромеханический привод представляет собой комбинированную конструкцию, кулачковая часть которого обеспечивает подвод и отвод исполнительных органов, что не требует значительных сил, а гидравлическая часть осуществляет рабочий ход. С применением гидромеханического привода сокращается расход энергии и затраты времени при выполнении операции, а также становится возможным значительное снижение необходимого расхода масла, подаваемого насосом.
Основным элементом технологического ротора является инструментальный блок, предназначенный для размещения инструмента и выполнения основных и вспомогательных операций. В его корпусе, кроме инструмента, размещаются приспособления (направляющие втулки, фиксаторы, крепежные устройства), взаимодействие которых обеспечивает обработку заготовок, подаваемых в приемник блока. Таким образом, инструментальные блоки, представляющие собой автономные комплексы «заготовка -инструмент - приспособление», определяют качество изготовления изделий и являются важнейшим и оригинальным конструктивным элементом ротора и линии в целом. Поэтому инструментальный блок должен обеспечивать заданную точность взаиморасположения рабочего инструмента, обладать необходимой прочностью и жесткостью, быть компактным и удобным в обращении, иметь минимально возможную массу, быть быстросъемным, позволять настраивать инструмент.
6-42
161
На АРЛ наиболее часто выполняют сверление, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы метчиками и плашками, а также фасонное об
тачивание и подрезание торца.
Указанные операции выполняются на АРЛ с той же степенью точности, что и на однооперационных металлорежущих станках. Для выполнения сверлильных операций ротор должен сообщать вращательное и осевое
Рис. 6.8. Инструментальный блок для сверления отверстий:
1 - крышка; 2 - пружина; 3 - зубчатое колесо; 4 - шпиндель; 5 - шпиндельная втулка; 6 - корпус головки; 7 - фиксатор; 8 - изделие; 9 - губки; 10 - корпус блока; 11, 13 - втулки; 12 - шток;
14 - зубчатое колесо; 15 - ось
движения инструменту или заготовке, а для подрезных токарных работ должны осуществляться вращение заготовки и поперечное перемещение инструмента. При этом вращение может передаваться либо от одного электродвигателя, установленного на станине линии, всем рабочим позициям ротора, либо от электродвигателей, предназначенных для каждой позиции ротора. Продольное перемещение режущему инструменту (сверлу, развертке, метчику) сообщается, как правило, механическим кулачковым приводом через зубчато-реечный механизм, а поперечное перемещение режущему инструменту (дисковому ножу, резцу, фрезе и т.п.) - внешним неподвижным копиром, установленным на станине линии. Для защиты от засорения стружкой ИБ располагается обычно в верхней части ротора. В качестве примера рассмотрим ИБ (см. рис. 6.5) ротора, предназначенного для обрезания полых цилиндрических заготовок по длине. Корпус 5 блока обрезания заготовки закреплен в блокодержателях ротора. Заготовка S, поданная из предыдущего транспортного ротора, при движении штока 9 вверх, а подпружиненного штока 1 вниз, зажимается между ними (или можно использовать цанговый зажим). После этого оба штока движутся вверх и подают заготовку для обрезания. Резцы 7 через суппорт б и втулку 5 вращаются от зубчатого колеса 2 на подшипниках 4.
По окончании обрезания штоки 1 и 9 отводятся, а заготовка вынимается из блока захватными органами последующего транспортного ротора.
При сверлении, зенкеровании, развертывании и некоторых других операциях требуется продольное движение рабочего инструмента и его одновре
162
менное вращение. На рис. 6.8 показана схема блока для сверления одного центрального отверстия и трех отверстий, расположенных на одной окружности под углом 120° друг к другу в дне заготовки 8. Заготовка представляет собой металлический ^стаканчик с запрессованным пластмассовым дном. Корпус 10 блока закреплен в блокодержателях ротора. В верхней части блока на оси 75 с помощью втулки 13 подвешен корпус 6 редуктора. Вращение шпиндельной втулке 5 передается через зубчатые колеса 3 и 14. Шпиндель 4, кроме вращения, совершает движение посредством подачи копира (на рис. 6.8 не показан) через крышку 7, передаваемое с помощью крышки 7. Возврат в исходное положение осуществляется под действием пружины 2. Предназначенная для сверления заготовка подается из предыдущего транспортного ротора и захватывается за внутреннюю поверхность разжимными губками 9, в то время как они движутся вверх вместе со штоком 72, на конце которого они расположены. После сверления центрального отверстия втулка 77 штока 12 вместе с заготовкой поворачивается до тех пор, пока фиксатор 7 не попадет в гнездо ее дна. Три таких гнезда позволяют поворачивать заготовку последовательно на 120°. Для поочередного сверления трех периферийных отверстий корпус 6 поворачивается на оси 75 боковым копиром (на рисунке не показан). Возврат корпуса в исходное центральное положение производится с помощью пружины.
Таким образом, на рабочем участке ротора сверло совершает четыре возвратно-поступательных движения, высверливая четыре отверстия, и одно качательное движение для отхода от центра на периферию и возврата.
6.3. Структура автоматических роторных и роторно-конвейерных линий
Для получения заданных формы, точности и шероховатости обработанной поверхности изделия необходимо выполнить несколько механических операций. Построение на базе роторных машин станочной системы, предназначенной для выполнения такого комплекса операций, сводится к созданию автоматической роторной или роторно-конвейерной линии.
В общем случае АРЛ (рис. 6.9) включает в себя следующие основные механизмы и узлы: станину, средства автоматической загрузки предметов обработки, межоперационные приемно-передающие транспортные устройства, технологические роторы с инструментальными блоками, систему привода вращения роторов и перемещения ползунов роторов, механизмы электроавтоматики, управления и контроля режима работы линии и правильности хода технологического процесса, устройства автоматической смены инструментальных блоков.
Структура АРКЛ (см. рис. 6.4) отличается от структуры АРЛ тем, что в качестве транспортных устройств служит цепной конвейер, При этом в линии может быть несколько конвейеров, каждый из которых предназначен для перемещения либо предметов обработки, либо инструментов.
Системы роторных машин строят по двум основным принципам:
1. Системы с жестким технологическим потоком предметов обработки, в котором маршрутной технологией не допускается накопление деталей между соседними машинами (операциями); обрабатывающие опера-
6*
163
Рис. 6.9. Структурно-функциональная схема автоматической роторной линии
ции следуют одна за другой; производственный цикл АРЛ из 10 технологических роторов не превышает 2...3 мин, в течение которого заготовка превращается в изделие.
2. Системы с гибким технологическим потоком заготовок, в котором маршрутной технологией допускается накопление деталей в дисковых роторах, склизах, механических элеваторах, конвейерах сбора и раздачи; производственный цикл в таких АРЛ длиннее, чем в предыдущем случае.
Разработанные классификации АРЛ, ТР и ТрР позволяют систематизировать существующие схемы и прогнозировать развитие новых конструкций как машин, так и автоматических линий.
АРЛ и АРЛК конструируют для изготовления деталей по единой, одинаковой или сходной технологиям, причем заготовки могут подаваться к инструментам одним или несколькими потоками (в частности, в многоместные формы), а сами потоки различаются по виду, типу, структуре и характеристикам. В состав линии входят роторные или роторно-конвейерные автоматы агрегатированного или специального исполнения, которые предназначаются для изготовления одно- или многономенклатурных деталей без переналадки или с переналадкой. Если технологический процесс короткий (до 10 операций), линию не требуется разделять на участки, если операций больше 10, целесообразно ввести межучастковые запасы для повышения надежности эксплуатации. Внутри линии предметы обработки могут транспортироваться без спутников и в спутниках, загрузку заготовок можно осуществлять с помощью промышленных роботов. Управление работой АРЛ и АРКЛ может выполняться без программы (обычно один режим эксплуатации) или по программе, задающей несколько режимов эксплуатации: наладочный, пусковой, рабочий и т.п. Для оперативного управления работой цеха-автомата, оснащенного АРЛ и АРКЛ, все линии подсоединяются к единой автоматической системе управления (АСУ) предприятия.
Технологические роторы классифицируют по назначению, способу воздействия на поток деталей, номенклатурное™ этого потока, виду при-164
вода инструментов, способу размещения привода, числу ярусов, расположению оси ротора в пространстве и положению инструментального блока относительно оси ротора.
В основу классификации транспортных роторов положены следующие признаки: плотность потока деталей, высота траектории потока деталей на входе и выходе ТР, сохранение или изменение ориентации в ТР, скорость потока деталей.
На базе приведенных классификационных признаков конструктор и проектант выбирают необходимое для каждой технологической операции решение.
Рассмотрим конструктивные особенности типовых механизмов и узлов АРЛ и АРКЛ.
Станины. Исходными данными для проектирования станины, определяющими расположение в пространстве узлов линии, являются структурно-компоновочная схема линии, разработанная на основе принятого технологического процесса, а также общие виды узлов АРЛ и АРКЛ.
Станины АРЛ и АРКЛ могут быть литыми и сварными.
Чугунные литые станины предпочтительнее из-за широких возможностей получения нужных (иногда весьма сложных) геометрических форм (с учетом эстетических требований к внешнему виду), а также вследствие удобства ухода за линией и благодаря относительно невысокой стоимости в серийном производстве, когда в стоимость модельного комплекта входит стоимость значительного числа отливок.
Стальные сварные станины преимущественно применяют для экспериментальных и выпускаемых небольшими сериями линий. Преимущества сварных станин по сравнению с литыми чугунными следующие: меньшая масса вследствие большего модуля упругости у стали, чем у чугуна; меньшая трудоемкость механической обработки, возможность корректировки конструкций АРЛ и АРКЛ (вырезание окон, приварка различных элементов), ускорение производства.
Сварные станины имеют при одинаковых с литыми станинами габаритах меньшую массу и более высокую жесткость.
В основном применяют станины АРЛ и АРКЛ следующих конструкций: балочные; сборочно-агрегатные; станины с цельными (монолитными) плитами; комбинированные.
Наибольшее распространение получили станины балочные (рис. 6.10), позволяющие производить перестановку, замену технологических роторов или изменять их количество и, следовательно, изменять технологический процесс изготовления деталей.
Балочная станина состоит из укрепленных на тумбах I сварочных (или литых) нижних балок 2, жестко скрепленных стальными колоннами 3 с верхними сварными (или литыми) балками 4. На верхних и нижних балках монтируют плиты 5 и 6 с расточками для технологических и транспортных роторов. Плиты группируют и разделяют так, чтобы на каждой из них могли устанавливаться технологические и транспортные роторы, предназначенные для выполнения одной технологической операции. Стыковка плит должна быть по возможности прямолинейной.
Для крупных АРЛ и АРКЛ применяют сборочно-агрегатные станины. В этом случае базовый узел группы (обычно технологический ротор) имеет
165
Рис 6.10. Балочная станина:
1 - тумба; 2 - нижние балки; 3 - колонны; 4 - верхние балки; 5, 6 - плиты
элементы станины, необходимые для установки узла на специальном фундаменте.
Станину с монолитными плитами применяют для относительно небольших линий (при общей длине линии до 1,5...2 м), предназначенных для выполнения стабильного технологического процесса.
Комбинированные станины проектируют в тех случаях, когда линия состоит из роторов консольного типа.
При разработке конструкции станины особое внимание уделяют удобству сборки и обслуживания узлов линии. Плиты станины должны иметь одинаковые технологические и конструкторские базы, максимум одинаковых расточек, типов резьб.
При конструировании элементов станины (тумб, балок, колонн) предусматривается возможность рационального размещения в них коммуникаций (гидропривода, электроавтоматики), электрооборудования, рабочих мест для обслуживающего линию персонала.
Внешнее оформление станины должно соответствовать требованиям эстетики и подчинено общему архитектурному ансамблю АРЛ, расположенных в одной технологической цепочке.
Для изготовления деталей станин в основном используют чугун (тумбы, балки, плиты), сталь (колонны, балки, плиты, ограждения) и алюминиевые сплавы (крышки, ограждения). В конструкции станины должны быть предусмотрены приспособления для удобной транспортировки.
Средства автоматической загрузки (САЗ) предназначены для подачи в линию штучных ПО. По степени подвижности в пространстве различают САЗ стационарные (рис. 6.11) и нестационарные (роторные) (рис. 6.12). Специфика загрузки АРЛ стационарными САЗ состоит в том, что заготовки подаются из общей массы поштучно во вращающийся ротор. Для за-166
Рис. 6.11. Типовое средство автоматической загрузки (стационарное):
1 - автоматическое бункерно-ориентирующее устройство с приводом; 2 - лоток (магазин, накопитель); 3 - механизм поштучной выдачи;
4 - питатель
Рис. 6.12. Загрузочно-питающий ротор (нестационарное средство загрузки):
1 - вал; 2 - зубчатое колесо; 3 - шибер;
4 — заготовка; 5 - лоток; 6 - копир; 7 - заготовки; 8 - бункер
грузки АРКЛ созданы САЗ большой производительности (не менее 800 шт. в минуту), так как при линейной скорости вращения роторов и цепных устройств 50...60 м/мин затрудняется передача заготовок стационарными САЗ. В этом случае применяют надежные нестационарные САЗ, в которых все необходимые устройства для загрузки заготовок в транспортную цепь расположены в роторе и вращаются вместе с ним. Конструктивно их оформляют в виде загрузочно-питающего ротора.
Автоматические бункерно-ориентируюгцие устройства стационарных САЗ, несмотря на большое разнообразие их конструкций, зависящих от формы и размеров подаваемых заготовок, имеют один и тот же принцип работы и аналогичные структуры конструктивных элементов (или узлов). Эти устройства обычно состоят из бункера, куда заготовки в произвольном положении засыпаются в неориентированном виде (навалом), захватных органов, осуществляющих поштучный захват и предварительное ориентирование заготовок; приемника, в который заготовки поступают из захватных органов в первично-ориентированном положении; блокирующего устройства, устраняющего или предохраняющего магазин от переполнения заготовками; амортизатора-вибратора, предохраняющего устройство от поломок при случайных перегрузках или застреваниях заготовок; привода, обеспечивающего движение подвижных органов, и стойки для крепления всех узлов бункерно-ориентирующего устройства.
Различают следующие конструкции бункерно-ориентирующих устройств, нашедших применение в АРЛ и АРКЛ: цепные, в которых испол
167
нительные органы расположены на движущейся поступательно цепи; дисковые, в которых исполнительные органы расположены на вращающемся диске; барабанные, в которых исполнительные органы расположены на вращающемся барабане; шиберные, в которых исполнительные органы расположены на движущемся возвратно-поступательном шибере; секторные, отличающиеся от шиберных возвратно-поступательным движением исполнительных органов.
Бункерные устройства каждого типа различаются типом ориентатора (например, гравитационный, пневматический, механический), местом ориентирования (в захватном органе, в приемнике, в специальном ориентато-ре), а также видом захвата (за наружную поверхность, за внутреннюю и за обе сразу).
Для автоматизации загрузки создаются комбинированные загрузочно-ориентирующие устройства, состоящие, например, из барабанных и дисковых, дисковых и секторных устройств.
Лоток служит для направления движения заготовок по заданной траектории. Лоток выполняет также функции магазина-накопителя, обеспечивающего бесперебойную работу питателя и создающего буферный запас заготовок между бункерно-ориентирующим устройством, производительность которого непостоянна, и питателем, производительность которого постоянна.
По способу перемещения заготовок различают лотки гравитационные и с принудительным перемещением заготовок под действием внешних сил, по форме поперечного сечения - прямоугольные, трубчатые (круглые), У-образные, по форме заготовки - открытые или закрытые. Для изменения положения заготовки в пространстве применяют криволинейные, винтовые, змейковые лотки.
При проектировании лотков рассчитывают размеры лотка и его пропускную способность.
Механизм поштучной выдачи отделяет от общего потока заготовок в магазине одну заготовку для последующей подачи питателем в рабочую позицию.
Питатель предназначен для подачи штучной заготовки непосредственно на рабочую позицию линии в ориентированном положении в соответствии с циклограммой линии. Питатель является цикловым механизмом линии и приводится в движение обычно от общего привода АРЛ и АРКЛ. В зависимости от характера движения основных элементов, перемещающих заготовки из зоны загрузки в рабочую зону, в АРЛ и АРКЛ используются шиберные, револьверные, грейферные питатели.
3агрузочно-питающие роторы (см. рис. 6.12) обеспечивают большую производительность подачи заготовок в линии, в первую очередь, вследствие применения нескольких захватных органов, из которых заготовки непосредственно передаются в позиции транспортного ротора. При проектировании необходимо соблюсти равенство числа захватных органов с магазинами числу позиций транспортного ротора. Захват заготовок облегчается благодаря наклону стенок бункера, а также приданию им и дну бункера специальной, секционной формы, встряхиванию заготовок и вибрации магазинов, введению дополнительных ворошителей и разбрасывателей. С помощью конструктивных решений, проверенных на моделях и
168
рассчитанных с помощью ЭВМ, можно перейти к встроенным конструкциям бункерных загрузочных устройств при цикловой производительности до 1600 шт./мин, сократив удельный вес потерь, обусловленных нарушением плотности технологического потока, на 35 - 40 %.
Принцип действия загрузочно-питающего ротора заключается в следующем. В бункер 8 (см. рис. 6.12) помещают заготовки 7, с помощью питателя 6 одна заготовка отделяется от общей массы и под действием гравитационной силы перемещается по лотку 5 к блоку захватов 3, из которого заготовка выдается в транспортный ротор АРЛ или цепь конвейера АРКЛ. Загрузочно-питающему ротору транспортное вращение передается через зубчатое колесо 2 и центральный вал 7. Для повышения вероятности попадания заготовки в питатель предусмотрен ворошитель 4.
Межоперационные транспортные устройства предназначены для передачи заготовок из одного технологического ротора в другой в пределах одной АР или РКЛ, выполняющей определенный комплекс технологических операций.
Межоперационная передача заготовок в АРЛ при полном автоматическом цикле работы осуществляется посредством комплекса механизмов и устройств, выполняющих основные и вспомогательные функции.
Механизмы и устройства основного назначения служат для обеспечения передачи заготовок из одного ротора в другой в необходимых для последующей обработки положениях, порядке и комплектности.
К ним относятся:
приемно-передающие механизмы и устройства, служащие для приема заготовок из технологического ротора в захватные органы транспортных устройств и передачи их в последующий ротор или для передачи из одного технологического ротора непосредственно в другой технологический ротор;
транспортные устройства, осуществляющие перемещения заготовок от приема их из одной рабочей машины до передачи в последующую машину, а также переориентацию, распределение предметов в определенном взаимном расположении, изменение уровней потока.
Вспомогательные устройства предназначены для исправления неправильного положения заготовки в захватных органах транспортных устройств и предупреждения аварий при передачах заготовок.
Приемно-передающие механизмы выполняют в двух вариантах:
либо в виде жестких или подпружиненных съемников, охватов, либо в виде переталкивающих механизмов, совершающих колебательные движения в соответствии с кинематическим циклом технологических роторов.
Первый вариант механизмов более прост, но их применение ограничивается рядом технологических и эксплуатационных факторов:
а)	так как необходимо обеспечить контакт заготовки с поверхностью съемников и охватов, в ИБ делают специальную выемку, что уменьшает сечение ИБ и ограничивает его применение для силовых операций;
б)	возможно нанесение царапин на поверхности заготовки, особенно при наличии термохимических операций;
в)	практически невозможна передача нежестких и сложной формы заготовок.
Переталкивающие механизмы обладают более широкими технологи
169
ческими и эксплуатационными возможностями, используются при сравнительно невысокой производительности (примерно до 100 шт./мин) линии для обработки малогабаритных заготовок.
Транспортные устройства двух видов осуществляют транспортирование заготовок: транспортные роторы и цепные конвейеры. Наибольшее распространение получили транспортные роторы, которые обеспечивают надежную операционную передачу заготовок при довольно высокой производительности АРЛ.
Рабочими органами транспортных роторов (ТрР) являются клещевые захваты, магниты, пневматические и вакуумные присосы. Материалом для изготовления захватных элементов ТрР служат конструкционные стали 35, 45 с закалкой поверхностного слоя (нагрев ТВЧ) на глубину 2 мм до 31 ...61 НКСэ- Если по техническим условиям изготовления продукции на поверхности заготовок не допускается появления царапин, захваты изготавливают из ударопрочного полистирола или другого пластика.
В диске 3 транспортного ротора (см. рис. 6.3) размещены захватные органы 8, подпружиненные в радиальном направлении. Радиальное перемещение захватных органов 8 ограничивается фиксатором 2. Диск 3 с захватными органами установлен на валу б и жестко связан с ним через регулировочное устройство 7, обеспечивающее угловую регулировку ротора для совпадения захватных органов ТрР с рабочими позициями ТР. Захватные органы снабжены подпружиненными губками 9 и 10 для удержания заготовки 4.
Передача заготовки и съем изделия происходят при совмещении захватного органа ТрР с соответствующей рабочей позицией инструментальных блоков ТР. Захватный орган, несущий в подпружиненных губках заготовку, входит в приемник ИБ. Один из инструментов комплекта захватывает (фиксирует) заготовку, и при дальнейшем вращении роторов захватный орган выходит из приемника ИБ, преодолевая силу зажима губок. Аналогично этому, но в обратном порядке, осуществляется съем изделия.
Подобные ТрР применяют при передаче заготовок между ТР с равным шаговым расстоянием между рабочими позициями. Если один из роторов имеет больший шаг, то необходим ТрР, способный изменить шаговое расстояние между своими захватными органами. В этом случае захватные органы устанавливают в пазах вращающегося диска так, что они могут перемещаться в радиальном направлении, например, посредством неподвижного плоского пазового кулачка, с которым контактируют ролики захватных органов. При синхронном вращении ТР и ТрР захватные органы совершают радиальные движения, изменяя вылет таким образом, что при приеме заготовки из технологического ротора с меньшим шагом захватные органы имеют шаговое расстояние, равное этому шагу, а при передаче заготовки в технологический ротор с большим шагом захватные органы увеличивают свой вылет до шагового расстояния, равного большему шагу.
В случае изменения высоты траектории потока заготовок при передаче их между технологическими роторами захватные органы ТрР размещают на ползунах, совершающих возвратно-поступательные движения посредством механического кулачкового привода. Транспортный ротор может одновременно с изменением высоты траектории изменять ориентацию заготовки. В таком роторе захватные органы оснащены зубчатыми колесами, сопрягаемыми с рейками-ползунами.
170
Для передачи заготовок с большой скоростью при высокой производительности следует вместо свободного удержания заготовки в захватах применять транспортирование заготовок в гнездах конвейеров, в частности, цепных передач.
Привод линии служит для сообщения роторам вращательного движения, необходимого для выполнения рабочих и вспомогательных перемещений элементов роторов линий и транспортного перемещения заготовок в процессе их последовательной обработки в технологических роторах. Привод также обеспечивает необходимые движения и другим механизмам линии (загрузочным устройствам, съемникам, запоминающим устройствам, устройствам автоматической смены инструмента и др.).
В АРЛ конструктивно реализуются три принципиально различных ва
рианта распределения энергии.
Первый вариант характерен для линий, в которых объединяются ТР с механическим приводом движения исполнительных органов. Затраты энергии в каждом роторе не превышают значений, соответствующих силе
взаимодействия между инструментом и заготовкой до 10 кН. Вращение (рис. 6.13) роторов осуществляется посредством электродвигателя 1 через клиноременную передачу 2 и червячный редуктор 3 на главный вал 4 наиболее нагруженного или среднего технологического ротора. Если остальные технологические 5 и транспортные 6 роторы имеют одинаковые шаги, измеряемые по траектории потока обрабатываемых заготовок, то они соединяются между собой с помощью цилиндрических зубчатых колес 7, установленных на общей станине 8. Если же роторная линия
Рис. 6.13. Схема однодвигательного привода роторной линии с червячным редуктором.
состоит из нескольких групп роторов с различными шагами, энергия от электродвигателя к отдельным
группам роторов передается через
индивидуальные червячные редукторы. Таким образом, от одного электродвигателя осуществляются и вращение роторов (транспортное движение), и перемещение исполнительных органов роторов (технологическое движение).
В АРЛ существенно ухудшаются технико-экономические показатели
вследствие применения однодвигательного привода с червячными редукторами. Для новых АРЛ разработаны новые многодвигательные приводы.
Второй вариант распределения энергии характерен для роторных линий, в которых отдельные технологические роторы имеют индивидуальные приводы, например, привод вращения кулачковых патронов и дисковых ножей, гидравлический привод штамповочного инструмента. В этих
конструкциях имеются два отдельных источника энергии для выполнения технологических и транспортных движений. Синхронизация вращения ро
171
торов осуществляется через жесткую систему привода от червячных редукторов и зубчатых передач транспортного движения.
Третий вариант распределения энергии заключается в ее передаче отдельным роторным группам от индивидуальных электродвигателей с синхронизацией вращения роторов с помощью планетарных механизмов. На рис. 6.14 изображена кинематическая схема привода АРКЛ с тремя диффе
Рис. 6.14. Схема многодвигательного привода роторной линии с дифференциальными редукторами
ренциальными редукторами, хотя в общем случае их может быть и больше. Привод состоит из асинхронных электродвигателей 7, дифференциальных редукторов 2 и синхронизирующей кинематической цепи 3, представляющей собой зубчатую передачу и связывающей технологические 4 и транспортные 5 роторы. Двигатели расположены последовательно вдоль линии; каждый из них обеспечивает вращение группы роторов. Дифференциальный редуктор представляет собой двухступенчатую планетарную передачу, два гнезда которой связаны с двигателем и рабочей машиной, а два других гнезда образуют между редукторами уравнительные связи 6 и 7, позволяющие разгрузить синхронизирующую кинематическую цепь и цепной конвейер АРКЛ, а также обеспечить равномерное распределение нагрузок между двигателями. Число степеней свободы системы равно числу двигателей и, несмотря на наличие замкнутых контуров, система характеризуется отсутствием избыточных связей.
В рассмотренном приводе оптимально сочетаются свойства индивидуального электропривода и дифференциальных редукторов, что обусловливает ряд его преимуществ:
обеспечивается точная-кинематическая синхронизация всех технологических и транспортных машин АРЛ и высокая точность их взаимного центрирования;
разгружаются синхронизирующая зубчатая передача и цепной конвейер АРКЛ;
172
появляется возможность передачи больших мощностей от двигателей к роторам через короткие кинематические цепи с высоким КПД (КПД привода определяется в основном КПД планетарных редукторов, который не ниже 0,96);
обеспечивается заданное распределение моментов между двигателями и их работы на номинальных режимах; возможно компоновать линию неограниченной протяженности из типовых унифицированных секций двигатель - редуктор;
создается синхронное движение в установившемся режиме и возможна развязка движений в аварийных ситуациях путем применения предохранительных муфт, устанавливаемых на выходных валах редукторов, или уравнительных связей;
достигается несколько скоростных режимов, определяемых числом работающих двигателей и применяющихся для выполнения наладочных работ и ступенчатого пуска отдельных двигателей;
обеспечивается маневренное и удобное управление приводом;
достигаются улучшенные динамические характеристики всего привода.
Недостаток привода - двухступенчатого дифференциального редуктора с вертикальным расположением валов - сложность и более высокая, чем у одноступенчатых редукторов, стоимость. Однако редукторы всегда можно сделать достаточно надежными, для того чтобы они не снижали общей надежности АРКЛ.
Разработанный и успешно применяемый в промышленности многодвигательный привод не имеет большинства из отмеченных недостатков однодвигательного привода и в большей степени соответствует современным требованиям к высокопроизводительным АРКЛ. Его можно применять в любых АРКЛ, однако в наибольшей степени преимущества такого привода проявляются в протяженных значительно нагруженных АРКЛ производительностью не менее 1600...2000 шт./мин.
В роторных линиях, как и в любых автоматических линиях, имеющих индивидуальный жесткий привод, применяют устройства электроавтоматики, автоматизированного управления и реагирования на нарушения хода технологического процесса. Эти устройства можно разделить на три группы (рис. 6.15).
В связи с переходом к высокопроизводительным АРЛ и АРКЛ возникла необходимость разработки устройств автоматической смены инструмента (АСИ), позволяющих без участия человека осуществлять обнаружение, изъятие и смену отказавших ИБ или отдельных инструментов ТР.
В АРЛ и АРКЛ в процессе обработки осуществляется совместное движение заготовок и инструментов по замкнутой траектории, причем некоторой частью траектории не выполняются технологические или вспомогательные функции. Наличие такого участка на траектории движения инструмента позволяет контролировать работоспособность ИБ, осуществлять замену ИБ, а также вводить устройства АСИ.
Применительно к роторным машинам структуру АСИ можно представить состоящей из нескольких элементов (рис. 6.16). Направления воздействия элементов схемы друг на друга обозначены стрелками, а последовательность их воздействия - римскими цифрами.
173
Рис. 6.15. Структурная схема устройств автоматического управления и реагирования автоматических роторной и роторно-кинематической линий
Рис. 6.16. Схема устройства автоматической смены инструмента
174
По конструктивному признаку АСИ разделяют на два варианта: возвратно-поступательные и роторные. Кинематическая связь возвратно-поступательного устройства АСИ с рабочей машиной является временной и осуществляется при получении команды на замену инструмента, а роторные устройства АСИ связаны с рабочей машиной постоянно и движутся одновременно.
Рассмотрим структуру и принцип работы первого варианта АСИ (рис. 6.17). Получив сигнал о браке заготовки, запоминающее устройство преобразует этот импульс в команду, по которой автоматически включается распределитель сжатого воздуха. Сжатый воздух, поданный под поршень подвижного участка копира 3, перемещает ползуны 2 с захватами, выступы которых входят в пазы рабочих блоков. Рычаг 7, фиксирующий блоки, автоматически отводится магнитом или другими устройствами. Механизм извлечения блоков вынимает их из ротора 7 и передает в приемник 5. При перемещении освобожденной позиции на заданный угол и совпадении ее с позицией механизма замены блоков 6 в
Рис. 6.17. Схема работы механизма смены инструментального блока
ротор подается новый отлаженный на стенде ИБ, фиксируемый рычагом 7. Смена инструмента осуществляется в секторе холостого хода.
6.4. Расчет параметров систем
При переходе от изготовления продукции на раздельном оборудовании к применению роторной технологии в первую очередь необходимо решить вопрос о целесообразности использования роторного оборудования, определить структуру автоматизированного производства.
Возможность и целесообразность применения роторного оборудования определяются конструктивными, технологическими и организационно
175
экономическими факторами, относящимися к заготовке, а также конструктивными, технологическими и экономическими характеристиками роторного оборудования.
Решение задачи о целесообразности применения роторного оборудования осуществляется за несколько этапов (рис. 6.18).
	Зтал 7		а.		Анализ	? технологичности	
	Предмет производства		и оозможности реализации роторной технологии		
					
	Этап 2		Разработка и оптимиза-		
	Технология		ция роторной		технологии
					
	Этап J		Формирование		схемных ре-
	Оборудование		иьении АРЛ (АРКЛ) и ПАП		
						
	Oman в-		Выбор	оптимального вари-	
	Оценка эффективности		анта а ял (Ahkhj, кап, расчет экономического эффекта		
	Неэффективно				. QrhrhP k’mrrflun
Проектирование и внедрение АРЛ (АРИЛ) или
ПАП на их основе
Рис. 6.18. Основные этапы оценки целесообразности перехода к роторной компоновке и выбора оптимального варианта автоматических роторно-конвейерных линий и комплексно-автоматизированного производства на их основе
На первом этапе анализируется возможность и экономическая целесообразность изготовления изделия на роторном оборудовании.
Возможность производства изделий на роторном оборудовании определяется рядом параметров, которые для разных технологических процессов могут быть различны. Параметры, от которых зависит эта возможность, подразделяют на конструктивные и технологические. Их устанавливают путем экспертизы с использованием результатов анкетного опроса по разработанной методике и по характеристикам предмета производства.
К конструктивным параметрам относят габаритные размеры, приспособленность к автоматической загрузке, транспортированию, к технологическим - силы, время обработки, точность, шероховатость, число технологических и вспомогательных движений для осуществления операций и т.п.
Экономическая целесообразность перехода к применению роторного оборудования определяется организационными параметрами: объемом выпуска, стабильностью выпуска и минимальной программой.
Объем выпуска. В табл. 6.1 приведены годовые объемы выпуска продукции при двухсменном режиме работы оборудования и коэффициенте его использования 0,8.
176
6.1. Годовой объем (тыс. шт.) выпуска изделий единицей роторного оборудования
Производительность единицы роторного оборудования, шт./мин	Номенклатура изделий, шт.			
	1	4	6	8
0,5	89,375	22,350	14,900	11,150
5,0	893,750	223,500	149,000	111,500
10,0	1787,500	447,000	298,000	223,000
100,0	17875,000	4470,000	2980,000	2230,000
200,0	35750,000	8940,000	5960,000	4470,000
400,0	71500,000	17880,000	11920,000	8940,000
600,00	107250,000	26820,000	17880,000	13410,000
800,0	143040,000	33760,000	23840,000	17880,000
1000,0	178750,000	44700,000	29800,000	22300,000
1200,0	214560,000	53640,000	35760,000	26820,000
1600,0	286080,000	57216,000	47680,000	35760,000
Стабильность выпуска деталей - это возможность использования роторного оборудования в течение всего амортизационного периода. Если выпуск продукции предполагается в течение меньшего срока, то требуется переналадка роторной линии для выпуска изделий другой номенклатуры. В этом случае вопросы проектирования значительно усложняются, во-первых, из-за необходимости подбора ассортимента заготовок, который целесообразно изготовлять на переналаживаемых АРЛ (АРКЛ) и, во-вторых, из-за того, что требуется проектировать переналаживаемую линию.
Таким образом, два параметра, характеризующие годовой объем выпуска продукции и его стабильность, могут оказать влияние на конструкцию роторного оборудования (переналаживаемое, непереналаживаемое) (табл. 6.2) и его стоимость.
6.2. Сравнительные характеристики АРЛ и АРКЛ и видов производств продукции
Срок выпуска продукции	Объем выпуска продукции одной номенклатуры в год	Конструктивные особенности линии		Производство
		Номенклатурность конструкции	Наличие переналадки	
Не менее амортизационного перио-да роторной линии	Полная загрузка линии	Однономенклатурная	Непереналаживае-мая	Массовое стабильное
	Неполная загрузка линии	Многономенклатурная	и	11
	и	Однономенклатурная	Переналаживаемая	Массовое гибкое или крупносерийное
Менее амортизационного периода роторной линии	Полная загрузка линии	в	и	Массовое гибкое или крупносерийное
	Неполная загрузка линии	Многономенклатурная	11	Крупносерийное или серийное
177
Минимальная годовая программа Нтт, обеспечивающая неубыточность производства на роторном оборудовании, зависит от характеристик заменяемого оборудования (производительности, стоимости), от численности и квалификаций обслуживающего персонала:
(Ен-о„)Прт1Д^
/7 = —----------------,
пип П	'
^-стб/?б-стр/?р
где Нт1п - минимальная годовая программа выпуска деталей, при которой АРЛ неубыточна, шт./год; Ен - нормативный коэффициент экономической эффективности; а() - коэффициент амортизационных отчислений; ПР, ПБ -производительность соответственно роторного и базового оборудования, шт./ч; т| - коэффициент загрузки оборудования; ДК - дополнительные капитальные затраты; СТБ, Ст.р - средняя часовая тарифная ставка рабочих, обслуживающих соответственно базовое и роторное оборудование; /?Б, /?Р -численность обслуживающего персонала соответственно на базовом и роторном оборудовании.
Графическая интерпретация зависимости Нтт от ДК показана на рис. 6.19.
Рис. 6.19. Минимальная годовая программа деталей в зависимости от дополнительных капитальных затрат (ДК, тыс. руб., цифры у кривых) и численности рабочих в базовом варианте (/?Б)
178
Исходные данные для проектирования РМ включают в себя технологические, конструкторские и организационно-экономические показатели. Проектирование РМ и АРЛ заключается в выборе и анализе возможных вариантов конструкции, расчетах и укрупненном конструировании по каждому варианту, сравнительном анализе и принятии решения по выбору оптимального варианта.
В процессе расчетов оценивают и сопоставляют кинематические характеристики, обеспечивающие технические параметры; кинематические показатели, определяющие прочность и жесткость системы; динамические параметры, гарантирующие качество и долговечность конструкции; энергетические характеристики, обеспечивающие реализацию технологических сил; экономические показатели, определяющие малые затраты и удобства эксплуатации.
Типовой процесс проектирования (рис. 6.20) включает в себя все основные этапы, необходимые процедуры внутри этих этапов и корректировки (К), сопровождающие проектирование серии АРЛ или АРКЛ.
Один из основополагающих этапов проектирования - получение исходных данных, подтверждающих целесообразность применения РМ, АРЛ или АРКЛ.
В соответствии с алгоритмом на рис. 6.20 типовой процесс проектирования роторных автоматов, АРЛ и АРКЛ носит итерационный характер с многочисленными обратными связями и сравниваемыми элементами -элементами изменения структуры и параметров проектируемых АРЛ и АРКЛ после испытаний, коррекции технического задания, эскизного и рабочего проекта.
Выбор варианта структурной схемы РМ, выполняющих одновременно обработку заготовок и транспортное движение инструментов, зависит от исходных параметров, задаваемых конструктору в стадии эскизной разработки проекта.
Рассмотрим основные исходные параметры для синтеза структурной схемы машин роторного, конвейерного и других типов (одно- и многоярусного исполнения, для изготовления одинаковых или различных деталей).
1.	Основное технологическое время обработки деталей назначают исходя из условий получения доброкачественного изделия при оптимальных режимах обработки. Обычно это время определяют на основании результатов технологических расчетов и исследований. При наличии нескольких вариантов технологических процессов изготовления деталей различными методами следует предпочесть вариант обработки наиболее простыми движениями инструментов (например, возвратно-поступательные движения пуансона, съемника, выталкивателя, прижима при штамповке) и с наименьшим временем технологического взаимодействия инструмента с деталью.
2.	Цикловую производительность Пц ротора задают с учетом условий производства и возможности его дальнейшего расширения, исходя из потребностей народного хозяйства в продукции данного вида. Кроме того, производительность оборудования должна быть адекватной капитальным затратам на автоматизацию, т.е. чтобы время окупаемости средств автоматизации не превышало определенного срока. Значение Пц выбирают по заданной годовой программе (действительной производительности Пд) с учетом ожидаемого коэффициента технического использования Кт и.
179

	Проект технического задания (Тд)	
		.	7
	Предварительный вариант ТЗ	
		
	>-	Техническое предложение	
		
	Техническое задание (Тд)	
		I
	>.	Эскизный проект (.	эп)
		
	Принципиальная схема АРЛили АРКЛ	
		
	Технический проект (	'ТП)
		
	Конструкции РМ, АРЛ или АРКЛ	
Рабочий проект (РП)
к
к
К
Техническая документация
Изготовление стендов и опытных образцов
Испытание стендов и опытных образцов
Обработка результатов испытаний
К
>. Серийное производство АРЛ или АРИЛ
Рис. 6.20. Алгоритм проектирования роторных машин, автоматических роторных и роторно-конвейерных линий
На стадии эскизного проектирования можно принять Кти = 0,8...0,9. Анализ эксплуатационных показателей работающих линий подтверждает, что назначение такого диапазона Кт.и целесообразно для автоматических линий, состоящих из 10-12 технологических роторов и такого же числа транспортно-передающих устройств.
3.	Шаг Лр ротора (расстояние между гнездами ротора) выбирают конструктивно в зависимости от размеров заготовки, инструмента, центрального вала, инструментальных блоков, а также зазоров между ними. Например, для роторов штамповочного производства можно рекомендовать следующие зависимости:
180
шаг ротора hp = DB + A DB;
Z?m ~ (2,0...2,5) б/п.о?	= (1,3...2,5) Dm = (2,6...6,25) б7п.о?
где DM, с/п.о? ^б - диаметры поперечных сечений соответственно вытяжной матрицы и предмета обработки инструментального блока;
Проектировщик должен иметь в виду, что диаметр DP начальной окружности ТР, определенный исходя из обеспечения заданной производительности, должен совпадать с диаметром начальной окружности зубчатого колеса D3 к, приводящего во вращение ротор: DP = D3 к. Длина окружности ротора л Dp = Up hp, откуда hp = л DP / Up. Диаметр DP следует выбирать из ряда предпочтительных чисел; Up практически всегда целое и четное число.
Равенство DP = D3 к можно переписать в таком виде:
Up hp = тп Z3 к, где тп - модуль; Z3K - число зубьев зубчатого колеса привода вращения ротора. Тогда hp = m Z3 к/ Up. Следует иметь в виду, что тп и Z3K - целые числа и что наиболее распространен тп, равный 3,4 и 6 мм.
Зазор ADB между инструментальными блоками зависит от их размеров, конструкции, системы крепления в гнездах ротора. Обычно ADB = (0,2...0,4) DB, hp = (1,2...1,5) DB « (3...10) б7п.о- Если технологическая операция выполняется в роторе, не имеющем инструментальных блоков, например в дисковом роторе для аппаратной обработки, термохимических операций и др., то hp = dn.o + AJn.o- Зазор Дб/п о? соответствующий толщине перегородки между гнездами диска, выбирают равным (0,1... 1,0) Jn.o? при этом hp= (1,1...2,0) б7п.о-
При групповых методах обработки, когда заготовки установлены на поддонах, шаг ротора определяют в зависимости от диаметра заготовки Jn.o? числа Up гнезд поддона, зазоров между заготовками Дб/П.о. и поддонами ДВП:
hp = Up\ б/п.о+ (Ur\ — V Adn.o + ASn-
Приведенную методику подбора шага ТР целесообразно использовать и для конвейерных (цепных) машин.
Для технологических операций, в которых определяющим параметром является время обработки (резание, прессование с выдержкой под нагрузкой и т.п.), Пц назначают, исходя из приемлемых размеров в плане технологических роторов (рис. 6.21).
Число позиций ротора
Up = DT + Ux, где DT - число позиций ротора, необходимое для обеспечения заданного технологического времени обработки Zp; Ux- число позиций ротора, необходимое для обеспечения времени tx приема и выдачи детали, подвода и отвода инструмента, а
Рис. 6.21. Схема и основные параметры роторной машины:
1,2- транспортные роторы подачи и выдачи заготовки соответственно;
3 - технологический ротор
181
также холостого пробега от транспортного ротора выгрузки до транспортного ротора подачи ПО.
t/т = Пц Zp; Up = л Dp/hp, Up-Ux= Пц /р;
1 — С/у/ С/р = Пц Ср / С/р — Пц /р hp / л Dp',
Пц — (1 — С/jf/ С/р ) л Dp / t^hp — Кп л Dp/Zp АР, гдеКп=(1-С/г/С/р).
При изготовлении деталей типа тел вращения резанием (точение, сверление и т.п.) Кп“ 0,5...0,7, при прессовании деталей из пресс-порошков (в том числе пластмассы) - Кп = 0,75...0,85.
Заданная технологией последовательность операций реализуется в различных вариантах структурно-компоновочных схем систем роторных машин. Эти системы в зависимости от уровня агрегатирования и применяемого метода расчета производительности сводятся к трем типам: 1) системы роторных и роторно-конвейерных машин с жесткой связью; мастным случаем являются отдельные многооперационные либо однооперационные РМ и РКМ; 2) системы АРЛ и АРКЛ последовательного агрегатирования с гибкой связью; 3) системы АРЛ и АРКЛ параллельнопоследовательного агрегатирования линий в участки, участков в систему КАП.
Реализация однооперационных процессов в отдельных РМ и РКМ связана с выбором оптимального числа позиций технологических роторов. На значение оптимального числа операций отдельной РМ оказывает влияние большое число факторов, учитываемых целевой функцией критерия оптимизации (надежность машины, шаг hp и число оборотов ротора иР, трудоемкость изготовления и материалоемкость машины, стойкость и стоимость инструмента, затраты на проектирование). С ростом числа позиций ротора Up потери вследствие увеличения площади и материалоемкости РМ перекрываются благодаря росту производительности, что характерно для роторного оборудования.
Принципиальной особенностью решения задачи структурнопараметрического синтеза ТСРМ является необходимость ее многоуровневого рассмотрения вследствие взаимосвязи параметров отдельных роторов Dp, АР, VTP, Up, пр с параметрами линий и КАП, которые не могут выбираться произвольно. Так, от числа позиций роторов зависит номинальная производительность АРЛ и АРКЛ, а от нее - число параллельных линий (цепочек) КАП. Ограничения по надежности (Кт.и< 0,8) требуют изменения структуры АР и РКЛ (уменьшением числа позиций в роторах), числа роторов в линии, применения систем диагностики и устройств АСИ. От этого зависят число параллельных линий для выполнения программы, капитальные затраты и текущие затраты КАП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Автоматические роторные линии / И.А. Клусов, Н.В. Волков, В.И. Золотухин и др. -М.: Машиностроение, 1987. -288 с.
2.	Клусов И.А. Проектирование роторных машин и линий. - М.: Машиностроение, 1990.-320 с.
3.	Кошкин Л.Н. Роторные и роторно-конвейерные линии - М.: Машиностроение, 1986. -336 с.
182
Глава 7.
ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ
7.1.	Классификация, особенности, области применения
В гл. 2 было изложено понятие о гибкой производственной системе (ГПС) как одного из типов станочных систем, ее основных частях согласно ГОСТ 26228-90, организационных структурах производства - гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) и гибкий автоматизированный завод (ГАЗ), в состав которых входят ГПС, гибкие производственные ячейки (ГПЯ) и гибкие производственные модули (ГПМ).
В ГОСТ 26228-90 приведена классификация ГПС по следующим признакам (рис. 7.1): комплектности изготовления изделий; методам обработки, формообразования, сборки и контроля; разновидности изготовляемых изделий; уровню автоматизации.
Рис. 7.1. Классификация гибких производственных систем
По комплектности изготовления изделий ГПС подразделяются на операционные, предметные и узловые (см. гл. 2). Согласно нормативной документации ЭНИМС, предметные и узловые ГПС (ГАУ) формируются из операционных. Предметные ГАУ представляют собой системы машин, с помощью которых полностью (комплексно) изготовляется определенная группа изделий (например, валы, втулки) или не менее двух групп изделий (типа тел вращения и планки). Узловые ГАУ представляют собой системы машин, которые производят комплекты деталей и узлы определенных типоразмеров. Комплекты деталей дополняются со склада недостающими покупными деталями, а затем ритмично поступают на автоматизирован
183
ный сборочный участок, где выполняются операции сборки и при необходимости упаковки.
По технологическому признаку ГПС механической обработки могут быть подразделены на две группы. ГПС первой группы предназначены для выпуска с высокой производительностью крупных серий деталей узкого спектра, характеризуемых высокой степенью конструктивного и технологического подобия. Примером могут служить блоки цилиндров автомобильных двигателей, выпускаемые в вариантах с четырьмя или шестью цилиндрами, либо с расточками под гильзы цилиндров нескольких диаметров. Такие технологические задачи решают с помощью разновидности ГПС - гибкой автоматизированной линией (ГАЛ). Здесь поток деталей перемещается с заданным ритмом по последовательно расположенным в соответствии с технологическим маршрутом станкам, связанным внутренними межстаночными транспортными средствами. Таким образом, движение деталей определяется технологическим маршрутом и соответствующей компоновкой оборудования, принятой на этапе проектирования ГАЛ.
В отличие от обычной автоматической линии ГАЛ можно переналаживать на изготовление различных деталей. Переналадка сводится к смене инструментов, шпиндельных головок, управляющих программ и транспортных приспособлений. Технологический маршрут вновь запускаемой в обработку заготовки должен иметь согласованные значения времени циклов обработки на каждом станке, а также близкое к базовому число операций. Эффективность подобных ГАЛ объясняется тем, что одна ГАЛ заменяет ряд традиционных автоматических линий, при этом экономится производственная площадь, уменьшается парк технологического оборудования, возрастает коэффициент использования оборудования.
ГПС второй группы предназначены для изготовления деталей широкой номенклатуры, характеризующихся технологическим разнообразием. Эти ГПС отличаются иной организационной и функциональной структурой. К ним относятся комплексы механической обработки разного масштаба и разной степени сложности, а именно ГПМ, ГАУ, ГАЦ. Эта группа ГПС характеризуется движением заготовок по произвольному маршруту с возможным его прерыванием и без обязательного выравнивания времени пребывания заготовки на различных операциях технологического маршрута и числа операций технологического маршрута для деталей различных наименований. Допускается одновременное производство деталей различных наименований. Маршрут движения заготовок и последовательность подачи их на обработку никак не связаны с компоновкой оборудования и определяются планом работы комплекса и расписанием загрузки единиц оборудования. ГПС работает по принципу: склад - ГПМ - склад.
ГПС обеих групп принципиально различаются и применением в промышленности: первая применяется в крупносерийном производстве, вторая - в средне- и мелкосерийном.
По методам обработки, формообразования, сборки, контроля различают механообрабатывающие, сварочные, термические, литейные, сборочные и другие ГПС.
По разновидности изготовляемых изделий согласно классификатору ЕСКД (классы деталей 71-76, классы сборочных единиц 28, 29, 30 и т.д.) различают ГПС для изготовления деталей типа тел вращения, корпусных деталей и др.
184
В зависимости от уровня автоматизации ГПС могут быть: 1-го уровня автоматизации, при котором осуществляется автоматизированная (с участием человека) переналадка ГПС при переходе на изготовление на ней нового из освоенных уже изделий; 2-го уровня автоматизации, при котором осуществляется автоматическая (без участия человека) переналадка ГПС при переходе на изготовление нового из освоенных уже изделий; 3-го уровня автоматизации, при котором осуществляется автоматизированная переналадка ГПС при переходе на изготовление нового, не освоенного ра
нее изделия.
На рис. 7.2 показаны стадии развития ГПС, предназначенных для из-
готовления деталей на спутниках, в зависимости от уровня автоматизации
их переналадки. Для ГПМ, показанного на рис. 7.2, а (или участков из отдельных ГПМ), характерна автоматизированная (1-й уровень автоматизации) переналадка при изготовлении не более двух-трех деталей, ограниченная вместимостью накопителя спутников на станке, инструментального магазина станка и оперативной памяти устройства ЧПУ ГПМ. При этом необходимо частое использование ручной переналадки, характерное для автономно эксплуатируемых станков с ЧПУ. Поэтому эффект, достигаемый от ГПМ, заключается главным образом в возможности расширения многостаночного обслуживания. Как и при производстве на станках с ЧПУ, при производстве на ГПМ оказывает большое влияние квалифика-
АСТПП, САПР
АСУП + САК+ АСУО
АС
АСИО в
ЭВМ+АТ С С
ГПМ автоматизирует производственна операции а
Ограниченная
высокая, при производстве на 2-в изделия освоенных извелий
Высшая, вклю-чая прозвод-ство Вновь изготовляемых изделий
Степень автоматизации переналадки
Рис. 7.2. Стадии развития гибких производственных систем в зависимости от уровня автоматизации их переналадки

е
г
ция станочника-оператора и наладчика станка на фактический коэффициент загрузки, а значит, на производительность станка; существует тенденция к увеличению размера партии изготовляемых изделий.
Автоматическая переналадка при изготовлении освоенных изделий (2 -й уровень автоматизации) характерна для ГПЯ и ГАУ (см. Рис. 7.2, б-б). Она реализуется по отработанным управляющим программам обработки, технологии, оснастке и инструменту.
В малономенклатурном производстве простых изделий широко используют ГПЯ и ГАУ, состоящие из ряда ГПМ и автоматизированной транспортно-складской системы АТСС, которые объединены единой управляющей ЭВМ (рис. 7.2, б). В таких ГПС либо инструментальные магазины должны иметь вместимость, достаточную для изготовления деталей
185
требуемой номенклатуры, либо инструмент должен поставляться средствами АТСС и перегружаться в инструментальные магазины средствами ГПМ. При этом достигается достаточно простая конструкция ГПС, однако понижается коэффициент использования оборудования.
При многономенклатурном производстве сложных изделий, для изготовления которых требуется значительное количество инструментов, ГПС, как правило, включает автоматизированную систему инструментального обеспечения АСИО (см. рис. 7.2, в), снабжающую инструментальные магазины станков необходимым инструментом из накопителя (склада) при смене изготовляемой детали и производящую замену изношенного или поломанного инструмента.
Большая номенклатура изготовляемых деталей и высокая отдача оборудования, включенного в ГПС, как правило, требуют оснащения ее автоматизированным складом (АС) заготовок и деталей, а также инструмента и оснастки, необходимых для бесперебойного функционирования ГПС (см. рис. 7.2, г).
Дальнейшим логическим шагом развития ГПС по пути повышения надежности функционирования и осуществления своевременного обеспечения всеми элементами технологического процесса является включение в ее состав систем обеспечения функционирования (СОФ ГПС и ГПЯ), системы автоматизированного контроля (САК), автоматизированной системы удаления отходов (АСУО), а также включение ГПС в автоматизированную систему управления производством (АСУП) (см. рис. 7.2, д).
Качественно новые возможности ГПС достигаются при интегрировании в системе их управления автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП), включающей соответствующие системы автоматизированного проектирования (САПР) - конструирования, технологии и т.п. В этом случае достигается высший - третий уровень автоматизации производства (см. рис. 7.2, е). Рис. 7.2 показывает, что рост уровня автоматизации достигается значительным усложнением конструкции и системы обеспечения функционирования ГПС и ГПЯ, а значит, увеличением их стоимости. Поэтому задаваемый уровень автоматизации должен быть экономически обоснован.
На рис. 7.3 показаны основные структурные элементы, а на рис. 7.4 -технические возможности типовой ГПЯ 2-го уровня автоматизации (см.
Рис. 7.3. Основные структурные элементы типовой гибкой производственной ячейки
рис. 7.2, в).
Основные структурные элементы ГПЯ следующие: несколько ГПМ одинаковых или различных, обеспечивающих требуемую технологическую обработку заготовок; АТСС; АСИО; единая управляющая ЭВМ.
Основными техническими возможностями ГПЯ являются:
производственная гиб-
кость, заключающаяся в автоматическом (автоматизиро-
186
Технические возможности
Рис. 7.4. Основные технические возможности типовой гибкой производственной ячейки
ванном) переходе на изготовление любой освоенной детали в любой последовательности. В ГПЯ 2-го уровня автоматизации этот переход занимает минуты - время, необходимое для удаления грейфером из камеры станочного модуля детали и загрузки на стол ГПМ тем же грейфером спутника с новой заготовкой;
структурная гибкость - способность каждого из станочных модулей функционировать при отказе другого, возможность проведения обработки на любом из однотипных ГПМ;
реализация безлюдной технологии обработки, заключающаяся в автоматическом функционировании ГПЯ в течение определенного интервала времени без участия обслуживающего персонала или при ограниченном его числе. Степень и продолжительность этой реализации определяется вместимостью элементов технологического процесса, качеством и степенью автоматизации функционирования устройств ГПЯ для диагностирования заготовок, инструмента, оборудования и других элементов ГПЯ в процессе работы.
Число и номенклатура систем в конкретной ГПС зависят от организационной структуры производства, созданного на основе ГПС, и определяются техническими и экономическими требованиями, предъявляемыми к ней.
Приведенные стадии развития ГПС (см. рис. 7.2) свидетельствуют о высокой насыщенности ее достаточно сложной механикой и электроникой. Поэтому появление ГПС только в начале 80-х годов объясняется тем, что именно в это время сформировалась техническая база для ее создания, включающая три основные части: многоцелевые станки, оснащенные устройствами автоматической смены заготовок и инструмента; роботизиро-
187
ванные технические транспортные средства и микроэлектронные системы управления, обладающие разветвленной гибкой структурой.
Современная техническая база ГПС и реализуемые на ее основе отмеченные выше технические возможности гибких структур производства определяют приведенные ниже особенности ГПС:
Благодаря производственной гибкости, достигаются:
автоматический (автоматизированный) переход на выпуск новой продукции в кратчайшее время и с наименьшими затратами;
повышение производительности труда рабочих-станочников благодаря росту коэффициента загрузки станков;
обеспечение стабильности качества выпускаемых изделий в результате автоматизации всех элементов технологического процесса изготовления и проведения его без участия человека;
снижение без потери производительности станков размера партии изготовляемых деталей до полумесячной или месячной программы с трех-, шестимесячной программы производства, характерной при использовании автономных станков с ЧПУ;
возможность производить детали в таком количестве и тогда, когда они нужны при сборке, т.е. иметь минимальные запасы и заделы, максимальные оборотные средства;
изменение конструкции изделия в процессе его выпуска.
В результате структурной гибкости достигается:
обеспечение ритмичности производства благодаря работе основного количества технологического оборудования, несмотря на отказы отдельных его объектов;
обеспечение требуемой пропорциональности производства вследствие автоматического (автоматизированного) подключения к изготовлению требуемого вида изделия различного количества единиц однотипного технологического оборудования.
В результате реализации безлюдной (малолюдной) технологии достигается:
переход на работу в две-три смены, круглосуточно, а в перспективе и круглогодично без выходных и праздничных дней с высвобождением людей от работы в ночное время;
улучшение условий труда, повышение культуры труда, поскольку оператор не связан с циклом работы станка;
улучшение техники безопасности и сокращение травматизма;
максимальный выпуск продукции с единицы технологического оборудования благодаря росту коэффициента его загрузки в результате сокращения потерь времени на переналадку при переходе на выпуск нового изделия и коэффициента сменности.
На рис. 7.5 приведены данные, характеризующие работу оборудования, использование материалов и занятость производственного персонала в случае автономной эксплуатации традиционных станков с ЧПУ и таких же станков в составе ГПС. В первом случае (рис. 7.5, а) из 8760 ч годового времени станки используют его для выдачи продукции только на 10-20%, и остается десяти-пятикратный резерв времени, заготовки находятся в работе только 2...5% времени, остальное время они пролеживают; оператор занят на станке в течение 30...40% смены, остальное время он является наблюдателем. В ГПС (рис. 7.5, б) полезное использование фонда времени 188
возрастает в 2...3 раза, в несколько раз сокращается время пролеживания материала, производственный персонал получает полную загрузку с широкими функциями.
Станки (годовой фонд)
Материалы (при работе оборудования)
Станочник- оператор (в течение смены)
Рис. 7.5. Характеристика работы оборудования, использование материалов и занятости производственного персонала при автономной эксплуатации станков с ЧПУ (а) и в составе ГПС (б)
Области рационального применения ГПС - это мелкосерийное повторяющееся, средне- и крупносерийное производство (см. гл. 1). Применение ГПС в единичном и мелкосерийном неповторяющемся производстве возможно в особых случаях.
Главное преимущество ГПС - способность производить продукцию в кратчайшие сроки при минимальных затратах. ГПС позволяют реализовать методы автоматизации массового производства (непрерывность, ритмичность и пропорциональность) в условиях серийного производства. В серийном производстве в настоящее время изготовляют 75...80% общего выпуска продукции машиностроения. В ГПС при автоматизированной переналадке станка на изготовление другой детали коэффициент загрузки станков, характеризующий машинное время, в течение которого на станке непосредственно изготовляется деталь, составляет 0,85...0,90 (коэффициент загрузки не достигает 1,0, так как 10... 15% времени по действующим нормативам эксплуатации отводится на ремонтные и профилактические работы), в то время как на автономно работающих станках с ЧПУ он составляет 0,4...0,6.
Несмотря на меры, принятые для использования станка с ЧПУ в две-три смены, практически средний коэффициент сменности их работы составляет 1,3...1,6, в то время как в ГПС он поднимается до 2,5...2,8 при реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки, поскольку производственный и обслуживающий персонал работает главным образом в
189
первую, удобную для работы человека смену, а во вторую и третью смены станочные модули обслуживаются ограниченным числом персонала или работают без его участия. Сравнение значений коэффициентов загрузки и сменности станков с ЧПУ при их автономном использовании и их значений при автоматизированной переналадке и реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки показывает возможность в последнем случае повышения отдачи станочных модулей относительно автономно эксплуатируемых станков с ЧПУ в 2...4 раза. В этом основной смысл создания ГПС, получивших признание в 80-х годах. В современных условиях прогрессивным может быть только такое производство, которое способно учитывать изменения спроса заказчиков и может быстро переходить на выпуск новой продукции. В результате удается избежать выпуска не находящей спроса продукции и бесполезного расходования ресурсов. Как было показано выше, такие требования лучшим образом обеспечивают ГПС.
Отмеченные (см. рис. 7.3, 7.4) структурные элементы и технические возможности ГПЯ с автоматической переналадкой при переходе на изготовление нового из освоенных уже изделий (2-й уровень автоматизации) иллюстрирует первая разработанная в нашей стране национальным институтом авиационной технологии (НИАТ) ГПЯ АЛП-3-1, внедренная на Московском машиностроительном заводе в 1980 г. В состав АЛП-3-1 входили два ГПМ СМ400Ф4.5 (рис. 7.6), созданные путем преобразования станков с ЧПУ в ГПМ.
Рис. 7.6. Гибкая производственная ячейка мод. АЛП-3-1
Конструктивные изменения, внесенные в многоцелевые станки с ЧПУ (рис. 7.7) при преобразовании их в ГПМ, показаны на рис. 7.8. Шестикоординатный станок СМ400Ф4.5 средних габаритов имеет три линейных ко-190
ординаты перемещения - две круговые и одну плансуппортную (координата £7), которые управляются по числовой программе (см. рис. 7.7). Он предназначен для точной обработки внутренних фасонных поверхностей, расположенных под произвольными углами, стол станка оснащен устройством 3 (рис. 7.8) приемки спутника, а рабочая зона станка закрыта камерой 2, предохраняющей от разбрасывания стружки, разбрызгивания СОЖ и направляющей стружку и СОЖ в отводящий конвейер 7. Станок оборудован устройством 5 автоматической подачи заготовки на стол станка на спутнике и отвода со стола спутника с деталью. Предусмотрено устройство 4 автоматической подачи инструмента в магазин станка из внешнего накопителя инструментов.
Рис. 7.7. Компоновка многоцелевого станка с шестью координатами, управляемыми по числовой программе
Рис. 7.8. Гибкий производственный модуль, созданный на базе многоцелевого станка с шестью координатами, управляемыми по числовой программе (см. рис. 7.7)
На рис. 7.9 показан (вид сверху) распространенный вариант ГПМ на базе многоцелевого станка 7 путем оснащения его накопителем 2 конвейерного типа на десять спутников 3. У накопителей спутников таких конструкций есть существенные недостатки, ограничивающие область их рационального применения. Так, при из
готовлении на ряде спутников одинаковых деталей требуется ряд одинаковых приспособлений, что сопряжено с дополнительными затратами и не обеспечивает идентичности производимых на станке деталей. Станок с подобным магазином спутников занимает большую производственную площадь.
В состав ГПЯ АЛП-3-1 (см. рис. 7.6) также входят накопитель спутников 7 со штабелерами 6 и 14,
Рис. 7.9. Гибкий производственный модуль с накопителем спутников
191
накопитель инструмента 4 с автооператорами 2, позиции: загрузки 72, разгрузки 70, контроля S, 9, и центральной ЭВМ 3, управляющей всей работой станков и транспорта.
При вводе оператором сменного задания в ЭВМ штабелер 14 подает из накопителя соответствующий спутник на вход 77 позиции загрузки, откуда он поступает к оператору, который устанавливает и закрепляет в приспособлении на спутнике заготовку и отсылает спутник на вь^ход 13 позиции загрузки. Штабелер 14 забирает спутник с заготовкой и помещает его в ячейку накопителя спутников. Из нее второй штабелер 6 забирает его и в соответствии с командой ЭВМ передает на входную позицию А загрузчика 75 при станке. Каждый спутник оснащен кодовой гребенкой, указывающей номер обрабатываемого деталеустанова.
Датчик на позиции А считывает код поступившего спутника и подает команду в ЭВМ на подготовку соответствующей программы обработки и проверку наличия в магазине станка необходимого инструмента или подачу его в магазин из накопителя 4. Когда заканчивается изготовление предыдущего изделия на станке, оно забирается на спутнике со стола станка грейфером на позиции Б и передается через моечную камеру В на выходную позицию Г, все подготовительные операции для изготовления новой детали заканчиваются. Спутник с заготовкой поступает с позиции А на позицию Б, где грейфер через окно в камере станка подает его на стол станка, а сам возвращается в исходное положение. Происходит обработка заготовки по требуемой программе [1].
На рис. 7.10 показана схема ГАУ АЛП-3-2, предназначенного для изготовления широкой номенклатуры корпусных деталей агрегатов. Он создан в НИАТ на основе многоцелевых многокоординатных ГПМ (см. рис. 7.8) и ГПЯ АЛП-3-1 (см. рис. 7.6). Участок включает (см. рис. 7.10) восемь ГПМ 7 трех типов; АТСС со стеллажом-накопителем спутников 70, расположенным вдоль линии размещения ГПМ, приемно-передающими
Рис. 7.10. Гибкий автоматизированный участок мод. АЛП-3-2
192
агрегатами 9 позиций «загрузка-разгрузка», «контроль», стеллажом-накопителем заготовок и изделий 6, расположенным в отделении 7 комплектации заготовок. Оба стеллажа-накопителя оборудованы соответствующими штабелерами. Данный ГАУ также включает АСИО с центральным накопителем 2 инструментальных наладок, расположенным вдоль линии размещения ГПМ на уровне верхних точек их инструментальных магазинов и оборудованным инструментальными автооператорами и агрегатом подачи кассет с инструментом; отделение наладки инструментов и приспособлений 4; систему САК 5 автоматизированного контроля изготовляемых деталей; централизованную систему АСУ О автоматизированной подачи СОЖ к ГПМ и удаления стружки; управляющий вычислительный комплекс с автоматизированными системами управления технологическим оборудованием АСУТО и технологическим процессом АСУТП 8 и центральный пульт 3 управления ГАУ. Ниже приведены технические характеристики ГАУ АЛП-3-2:
Габаритные размеры заготовок, мм
Материал заготовок
Номенклатура изделий, шт.
Габаритные размеры рабочей поверхности спутника для установки и закрепления заготовки, мм Число ГПМ, входящий в ГАУ:
СМ630ф.4.4 (многооперационный, 5-координатный)
СМ400ф.4.5 (многооперационный, 6-координатный)
СГ400ф.4.5 (для глубокого сверления ружейными сверлами)
Число ячеек в стеллаже-накопителе для установки спутников
Число штабелеров для транспортирования спутников
Число приемно-передающих агрегатов спутников на позициях «загрузка - разгрузка», «контроль»
Число автооператоров для транспортирования инструментов
Число приборов для настройки режущих инструментов
Число координатно-измерительных машин для контроля заготовок деталей
Число ячеек в стеллаже-накопителе для установки тары
Габаритные размеры станочного помещения ГАУ, мм
250x250x250
Алюминиевые сплавы 50-70
360x360
4 3
1
176 2
4
3
2
1
160 55500x19400
Система обеспечения функционирования ГАУ АЛП-3-2 приведена на рис. 7.11. С центральной ЭВМ (СМ-2М) непосредственно связано большое
7-42
193
число объектов управления, в том числе: 12 устройств ЧПУ станками, штабелерами и автооператорами; 12 цикловых систем управления агрегатами загрузки спутников; две цикловые системы управления инструментальными подвижными кассетами; 31 датчик считывания кода инструмента и 12 датчиков считывания кода спутников; 18 видеотерминалов; один цветной графический дисплей для показа диспетчеру мнемосхемы (в динамике) ГАУ; ряд устройств вывода на печать. Для резервирования надежности эксплуатации ГАУ, возможности проведения технического обслуживания УВК при круглосуточной работе технологического оборудования параллельно включены две ЭВМ СМ-2М. Основные технические возможности ГАУ АЛП-3-2 как гибкой производственной системы соответствуют типовым ГПЯ АЛП-3-1 и обеспечивают производственную гибкость ГАУ, структурную гибкость и возможность реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки [6].
Рис. 7.11. Система обеспечения функционирования ГАУ мод. АЛП-3-2
I - центральный пульт управления; II - АТСС, штабелеры; III - АСИО, автооператоры IV - позиция загрузки инструмента; V - датчики кода в накопителе инструмента; 1 - внешняя память (10Мбайт); 2 - УВКС СМ-2М К 125 %; 3 - мнемосхема; 4 - протокол работы; 5 - справочная информация; 6 - выполнение сменного задания; 7 - определение состояния устройств; 8 - ввод директив, вывод справочной информации; 9 - Н55-2Л УЧПУ; 10 - директивы и сообщения; 11 - чертеж установки или контроля заготовки, детали; 12 - инструментальная подвижная кассета № 1; 13 - то же, № 2; 14 - датчик кода спутника на входе агрегата загрузки спутников; 15 - агрегат загрузки спутников; 16 - датчик кода спутника на входе АЗС; 17 - датчик кода инструмента в падающем гнезде; 18 - датчик кода инструмента в цепи магазина; 19 - многоцелевой станок; 20 - директивы и сообщения при запуске, остановке в спорных ситуациях
194
7.2.	Основные потоки
На рис. 7.12 представлена типовая схема ГАУ, соответствующего 2-му уровню автоматизации, с указанием функционирования потоков основных элементов технологического процесса обработки деталей на спутниках. Центральная ЭВМ (ЦЭВМ) управляет всем оборудованием ГАУ, и переналадка ГПМ на изготовление новых, ранее освоенных деталей осуществляется автоматически (ГАУ, согласно рис 7.10 и 7.12), Функционирование потоков осуществляется следующим образом: ЦЭВМ в соответствии со сменно-суточным заданием передает на устройство управления АТСС команду о подаче робокаром РК-2 спутника с приспособлением для крепления заготовки на агрегате загрузки спутников АЗСп. После остановки и закрепления заготовки оператором загрузки заготовок (ОЗз) спутник направляется ЦЭВМ на входную позицию агрегата загрузки станка (АЗСт) соответствующего ГПМ. В соответствии с кодом спутника, автоматически считываемого на входной позиции АЗСт, ЦЭВМ проверяет наличие требуемого инструмента в магазине инструментов (МИ) ГПМ или в накопителе инструмента (НИ) АСИО. В последнем случае робот-автооператор РА-1 начинает подавать инструмент в инструментальный магазин ГПМ в порядке его применимости. Ненужный инструмент в обратной последовательно-
ОСк
Рис. 7.12. Типовая схема функционирования потоков основных элементов технологического процесса обработки в ГАУ 2-го уровня автоматизации
7*
195
сти из МИ направляет в НИ АСИО. АЗСт автоматически подает спутник с заготовкой на стол станка, после чего начинается изготовление детали по программе, поступающей из ЦЭВМ в устройство ЧПУ ГПМ. Изготовленная деталь по цепочке АЗСт - РК-1 - НСп - АТСС - РК-2 - АЗСп автоматически направляется к ОЗз, который снимает ее со спутника и помещает в тару в накопителе заготовок (ИЗО. Заполненная тара робокаром РК-3 переправляется с деталями в автоматизированный склад заготовок (АСкЗ). Поскольку поиск и подача в МИ ГПМ требуемого инструмента для обработки новой заготовки, поступившей на входную позицию АЗСт, происходит во время изготовления предыдущей детали, на переход к изготовлению новой детали тратится столько же времени, сколько на изготовление прежней детали. Это время определяется продолжительностью отвода с помощью АЗСт со стола ГПМ спутника с деталью и подачи на стол нового спутника с заготовкой, т.е. составляет десятки секунд. В связи с этим нет необходимости иметь несколько спутников для обработки одной заготовки, и можно обойтись одним спутником на каждый станок, что сокращает общее число необходимых спутников и обеспечивает повторяемость размеров изделий.
Управление от ЦЭВМ работой всего оборудования ГАУ и наличие в ЦЭВМ полной модели участка в динамике, отвечающей в каждый момент времени фактическому состоянию оборудования и оснастки (инструмента, спутников), позволяют реализовать структурную гибкость участка, поскольку изготовление детали может быть без потерь времени передано на любой из однотипных ГПМ участка. Кроме того, возможно оперативное вмешательство персонала участка в процесс обработки: запуск в изготовление приоритетной детали, изменение размера партии деталей, введение коррекции на размеры обрабатываемых поверхностей, автоматическое прерывание процесса обработки с выводом детали на позицию контроля для проверки. Агрегаты загрузки станков АЗСт оборудованы на выходе моечными камерами.
Описанное выше прямое управление от ЦЭВМ позволяет иметь неограниченного объема программу обработки, а индивидуальная подача инструментов снимает ограничения на число используемого инструмента, поскольку используются емкости как инструментальных магазинов ГПМ, так и накопителя инструментов на АСИО. Замена изношенного и сломанного инструмента осуществляется оператором загрузки инструмента ОЗ и с помощью автооператора РА-2 и агрегата загрузки инструмента АЗИ из автоматизированного склада инструментов АСкИ. Подача к ГПМ смазочноохлаждающей жидкости (СОЖ) на обрабатываемую заготовку и ее регулирование осуществляются автоматически по командам от ЭВМ с помощью запорно-регулирующей арматуры от единой насосной установки с отстойником НУиО, расположенным в подвальном помещении. Транспортирование стружки от ГПМ в НУиО выполняется системой гидравлического смыва по желобу (показан штриховой линией), расположенному под полом, или подобными другими средствами.
Схема на рис. 7.12 и изложенное ее краткое описание указывают на функционирование следующих потоков основных составляющих технологического процесса обработки в ГАУ 2-го уровня автоматизации: заготовок и деталей в системе АТСС по маршруту АСкЗ<->АЗСт; режущего инструмента в системе АСИО по маршруту АСкИ*->МИ; заготовок и деталей в системе САК по маршруту АЗСт<->К; СОЖ и стружки в системе АСУ О по
196
маршруту НУиР*->ГПМ; команд управления технологическим оборудованием и технологическим процессом АСУТО и АСУТП по маршруту ЦЭВМ«->УЧПУ, Т (видеотерминалы), УУ (устройства управления).
ГАУ с подобной структурой управления, реализующей прямое управление от ЦЭВМ работой всего оборудования участка [5] дают возможность повысить производительность труда операторов благодаря следующим факторам: росту коэффициента загрузки станков в результате автоматизации переналадки оборудования (загрузки заготовками, инструментом, программами обработки и разгрузки деталей, ненужного инструмента); повышению отдачи оборудования в результате роста коэффициента сменности благодаря возможности реализации безлюдной (малолюдной) технологии обработки (за счет вместимости накопителей АТСС и АСИО, загружаемых в первую смену по суточной программе и автоматически питающих станки во вторую и третью смены).
Устройства ЧПУ, ГПМ, АТСС и АСИО при системе прямого управления от ЦЭВМ могут быть упрощенными, поскольку они выполняют обычные функции управления приводами, интерполяции перемещений по данным команд ЦЭВМ, задействование некоторых вспомогательных циклов и т.п. Однако на ЦЭВМ лежит высокая ответственность за результаты работы ГАУ, поскольку отказ ЭВМ ведет к простою всего участка. Это создало известный психологический барьер в распространении прямого управления от ЦЭВМ.
В целях упрощения структуры ЦЭВМ, уменьшения стоимости ГАУ при сохранении 2-го уровня автоматизации при допустимой степени изменения экономических показателей часто бывает возможно упростить ГАУ и изменить функционирование потоков основных составляющих технологического процесса (рис. 7.13). Главным образом, это целесообразно в серийном производстве деталей ограниченной номенклатуры и повышенной сложности при достаточно продолжительном времени обработки (свыше 15...30 мин). В этом случае ЦЭВМ хранит и выдает программы устройствам управления оборудованием и транспортом ГАУ периодически. Накопитель Н автоматизированного склада АСк хранит как заготовки, изготовленные детали, так и необходимый для обработки инструмент. Хранение
Рис. 7.13. Типовая схема ГАУ упрощенной конструкции 2-го уровня автоматизации
197
спутников производится на отдельных позициях ожидания ПОСп, расположенных вдоль пути движения робокара РК-1, который осуществляет двустороннюю подачу спутников: расположенным с одной стороны к гибким производственным модулям ГПМ-1, ГПМ-2 и т.д., агрегату мойки деталей AM и расположенных по другую сторону позициям ожидания спутников - ПОСп и агрегатом загрузки спутников. Единая автоматизированная система удаления отходов (АСУО) заменена автономными насосными установками и отстойниками стружки НУиО у каждого из ГПМ. Уборка стружки, автоматически собираемой в тару у каждого ГПМ, обычно совершается оператором один раз в смену.
К устройствам ЧПУ, входящим в ГПМ и АТСС, предъявляются повышенные требования: у них должен быть значительный объем оперативной памяти; они должны диагностировать неисправности, иметь возможность отрабатывать и корректировать программы в диалоге програм
мист - станок и др.
Если возможна автоматическая переналадка ГАУ при переходе на изготовление новой освоенной детали при упрощенной структуре согласно рис. 7.13, увеличивается время переналадки, поскольку потоки заготовок, деталей и инструмента обслуживаются одними и теми же транспортными средствами и элементами ГПМ. Допустимость увеличения простоя оборудования при переналадке определяется экономическим расчетом.
На рис. 7.14 показано системное окружение ГПС, соответствующее 3-му уровню автоматизации [5]. В этой системе на базе единого банка данных (БД) и под действием автоматизированной системы управления производством АрУП в непрерывном протоке функционирует комплекс превращений технического задания ТЗ в готовое изделие. Вся система реализуется материально-техническим обеспечением МТО. Здесь информация о техническом задании, обрабатываясь системой автоматизированного проектирования САПР, превращается в комплекс документации, осуществленной в виде подпрограмм обработки, сборки, транспортирования отдельных деталей и узлов изготовленной продукции. Автоматизированная система технологической подготовки производства АСТПП обеспечивает подготовку технологического оборудования, оснастки, выбор режимов обработки, т.е. создание технологического прогресса для ГПС. Автоматизированная подсистема управления технологическим процессом АСУТП, действующая в ГПС, выполняет непосредственно обработку, измерение, транспортирование изделий, контроль функционирования технологического оборудования, смену инструмента, удаление стружки,
Рис. 7.14. Системное окружение гибкой производственной схемы
упаковку и складирование продукции. Автоматизированная система АСИ обеспечивает требуемый объем испытаний изделий, например, на вибрацию, механические толчки, удары, воздействие внешней среды.
На рис. 7.15 показаны назначение, цели и функции АСУТП. В общем виде АСУТП предназначены для
198
выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человеко-машинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и отработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом с принятым критерием.
Рис. 7.15. Назначение, цели и функции автоматизированной системы управления технологическим процессом
Таким образом, наряду с потоками элементов технологического процесса обработки в ГПС постоянно действуют потоки информации многочисленных систем, выбор назначения которых является творческим процессом и обосновывается разработчиком ГПС экономическими соображениями.
7.3.	Компоновочные структуры гибких производственных модулей и систем
1.	Компоновочные структуры (схемы) ГПМ и ГПС характеризуют взаимосвязь основного и вспомогательного оборудования - станков, обслуживающих их транспортных устройств, межоперационных складов.
На основе опыта формирования их структур можно сделать следующие выводы.
Компоновочные структуры (схемы) ГПС зависят от серийности производства, для которого создается ГПС. Типовые компоновочные структуры следующие (в зависимости от типов организации материальных потоков): с централизованным складом; с промежуточным накопителем; с комбинированной структурой.
199
Варианты размещения с централизованной структурой применяют в единичном и мелкосерийном производстве деталей с большой станкоемко-стью, а также крупногабаритных деталей. Реализуются они по схеме склад -станок - склад (Скл-С-Скл) на ГПС с верхним уровнем управления АТСС (рис. 7.16, а) и по схеме участковый накопитель - станок - участковый накопитель (Н-С-Н) - на ГПС, где требуется малая вместимость накопления и невысокий уровень управления АТСС (рис. 7.16, б). Варианты размещения с промежуточным накоплением реализуются по схеме Скл-Н-С-С-Н—Скл и Скл-Н-С-Н-С-Н-Скл в производстве, требующем частых переналадок (рис. 7.16, в и 7.16, г), и являются наиболее распространенными.
а	б
6
г
Рис. 7.16. Типы организации материальных потоков
2.	Типовые компоновочные структуры в зависимости от принятой технологии подразделяются: по методу группирования однотипного оборудования, при котором упрощается проблема максимальной загрузки оборудования; по методу групповой технологии - группирование разнотипного оборудования оптимальной производительности, но при этом усложняется проблема равномерной загрузки оборудования; по методу жесткой технологической последовательности операций.
В интегрированном производстве можно применять сочетание указанных методов.
3.	Типовые компоновочные структуры в зависимости от взаиморасположения рабочих зон и зон обслуживания согласно методическим рекомендациям Минстанкопрома следующие (рис. 7.17): фронтальная (рис. 7.17, б/); поперечная (рис. 7.17, б); дипольная (рис. 7.17, в); угловая (рис. 7.17, г); круговая (рис. 7.17, Э); комбинированная (рис. 7.17, е).
200
a

e
Рис. 7.17. Рекомендуемые схемы размещения основного технологического оборудования
Фронтальная, поперечная, дипольная и угловая компоновки являются линейными. Наиболее простая линейная компоновка - фронтальная. Она распространена как в ГПС для изготовления деталей типа тел вращения с использованием портальных роботов или манипуляторов, так и корпусных деталей. Дипольная компоновка рекомендуется в случае необходимых перестановок и дает возможность промышленному роботу или манипулятору обслуживать два станка. Поперечная компоновка применима для ГПС, изготовляющих корпусные детали и детали типа тел вращения. В качестве пристаночного транспорта может применяться конвейер или портальный робот.
Условия компоновки ГПС позволяют сократить ее протяженность и целесообразны в случае изготовления деталей типа тел вращения. Круговую компоновку применяют в ГПС для изготовления различных деталей при использовании в качестве транспортного и загрузочного средства манипулятора вращательного типа. Комбинированная компоновка предпочтительна, если она выполняется в форме решетки с квадратными ячейками.
4.	Типовые компоновочные структуры в зависимости от способов реализации подачи инструмента следующие: с ручной тележкой, с общим автоматическим транспортом для деталей и инструмента; со специальным транспортом для инструмента.
5.	Типовые компоновочные структуры в зависимости от компоновки АТСС по направлению протяженности склада следующие: вдоль линии станков; перпендикулярно линии станков; без склада.
201
Склады вдоль линии станков целесообразно использовать при однорядном расположении станков; поперечные склады рекомендуются при многорядном расположении станков. Планировка с поперечным складом занимает меньшую площадь, но требуется транспорт, обслуживающий станки.
6.	Способы удаления отходов могут быть следующими: централизованный, обеспечивающий автоматическую уборку стружки; децентрализованный, более дешевый, требующий периодического обслуживания человеком.
7.	При проектировании компоновочных структур следует стремиться к минимизации используемой производственной площади, суммарного пути перемещения транспортных средств (ТС) и суммы затрат на создание транспортной системы.
8.	Компоновочные структуры должны обеспечивать свободный доступ обслуживающего персонала к основному и вспомогательному оборудованию, зоны их обслуживания и ремонта.
9.	Компоновочные структуры должны быть такими, чтобы обеспечивалось согласование материальных потоков со смежными участками или цехами.
10.	Вместимость межоперационных складов-накопителей должна обеспечить хранение запаса заготовок (полуфабрикатов), ожидающих обработки на отдельных станках, с учетом времени установки различных деталей, хранение запаса заготовок (полуфабрикатов), компенсирующего наложенные простои оборудования вследствие его случайных отказов, оптимизацию загрузки станков.
11.	Количество и технические параметры ТС следует выбирать с учетом повышенного коэффициента использования станочного оборудования в составе ГПС и возможности работы в двух основных режимах: автоматическом - с управлением от центральной ЭВМ и полуавтоматическом - с управлением от оператора.
12.	В качестве основного принципа построения ГПМ и ТС следует использовать агрегатно-модульный, позволяющий на единой конструктивной базе реализовывать различные компоновочные структуры и технологические процессы с учетом специфики конкретных производственных помещений.
13.	Основные технические параметры ГПС [3, 6, 8]. При числе станков в ГПС от 2 до 50 (преимущественно 4...8) на них изготовляют изделия неограниченной номенклатуры, однако в основном типа тел вращения и корпусных деталей. Габаритные размеры изготовляемых деталей на спутниках составляют 10...5000 мм, но чаще всего 250...800 мм.
Для транспортирования заготовок применяются чаще всего рельсовые тележки и индуктивно управляемые тележки - робокары. Кроме того, находят применение электрокары, краны и роботы.
Загрузка-разгрузка станков ГПС осуществляется чаще всего на спутниках, реже роботом или вручную. Вместе с тем, смена инструмента в магазинах станков осуществляется главным образом вручную и реже АСИО на спутниках или кассетами.
В ГПС преимущественно используется ЦЭВМ и осуществляется 2-й уровень автоматизации.
Хронологическая последовательность освоения ГПМ следующая:
202
многоцелевые станки с ЧПУ (см. гл. 3), имеющие одинаковые технологические возможности по выполнению широкого круга сверлильно-фрезерно-расточных операций; токарные; токарные многоцелевые станки, конструкция и компоновка которых определяются преобладающим значением токарной обработки и возможностью комплексной обработки заготовки благодаря осуществлению за один установ обработки так же осевым инструментом (сверла, зенкеры, развертки и др.); фрезерные многоцелевые с преобладающим значением фрезерной обработки и соответственно с высокой мощностью привода главного движения и большими силами перемещений по координатам; шлифовальные; зубообрабатывающие и т.д.
В токарных и токарных многоцелевых ГПМ для автоматизации загрузки заготовок и удаления деталей широко применяют промышленные роботы. Промышленный робот может быть как самостоятельной единицей, так и конструктивно объединенным с основным технологическим оборудованием.
На рис. 7.18, а показан промышленный робот 4 (вид в плане), встроенный в токарный станок с системой управления 3. Тактовый стол 5 подает заготовку на фиксированную позицию. Промышленный робот снимает заготовку и устанавливает ее в рабочую зону станка 2. После обработки изготовленная деталь снимается и устанавливается роботом в ту же позицию тактового стола. Затем система управления 1 промышленного робота подает сигнал перемещения тактового стола на один шаг: готовая деталь перемещается на другую позицию, а на ее место поступает новая заготовка. Системы управления станка и робота зачастую объединяют в одну систему управления ГПМ.
Рис. 7.18. Схемы расположения промышленных роботов в ГПМ:
а - встроенного в токарный станок; б - портального; в - рядом с токарным станком; г - встроенного в многоцелевой ГПМ
На рис. 7.18, б показан портальный промышленный робот 4, установленный над станком 2 (основной вид ГПМ) с системой управления 3. На
203
копитель заготовок 5 в виде поддона размещен рядом со станком. Для загрузки-разгрузки заготовок робот перемещается по порталу, а схват робота - в вертикальном направлении.
На рис. 7.18, в показан промышленный робот 7, установленный рядом со станком 2 и работающий в цилиндрической системе координат. Загрузка заготовок происходит с помощью тактового стола 6 и промышленного робота 4 в станок 2, как это было рассмотрено выше.
Промышленные роботы применяют не только в токарных, но и в других станках. На рис. 7.18, г показана схема (вид в плане) применения промышленного робота в многоцелевом станке 2, предназначенном для изготовления корпусных деталей. Рядом со станком 2 находится стеллаж 7 для накопления заготовок 8 и деталей. Промышленный робот 4 устанавливает заготовки со стеллажа в рабочую зону станка и переносит детали из рабочей зоны в стеллаж.
Станки различных видов при наличии в их составе промышленных роботов получили название роботизированных технологических комплексов (РТК). Началом (входом) комплекса и его окончанием (выходом) являются различного рода накопители (см. рис. 7.18). Такие ГПМ в виде РТК применяются в ГАУ или ГАЦ.
ГАЦ 1-го уровня автоматизации для изготовления промышленных роботов, созданный на Московском станкостроительном объединении «Красный пролетарий», показан на рис. 7.19. Цех состоит из участков
Рис. 7.19. План гибкого автоматизированного участка 1-го уровня автоматизации
204
станков, собранных по группам: многоцелевых с накопителем 1 спутников, токарных 10, сверлильных 2 и других, оснащенных промышленными роботами. Предусмотрен участок уникального оборудования и участок сборки промышленных роботов. Транспортная система, связывающая участки станков со складом мелких и средних заготовок 8 и складом крупных заготовок 9, выполнена на базе робокаров 7, перемещающихся по заданной траектории, обеспеченной прокладкой низкочастотного кабеля в полу. Транспортная система включает в себя три основных робокара и один запасной. От автоматизированного склада робокар с грузом может быть по заданию ЭВМ (на рисунке не показана) направлен по любому из рабочих маршрутов. Вдоль указанных маршрутов расположены позиции 3 выгрузки поддонов с грузом, поступающим со склада, и погрузки поддонов с грузом, возвращающимся с производственных участков в склад. Здесь же располагаются видеотерминалы Т для связи операторов участка со складом.
Возврат робокара на склад с рабочих маршрутов осуществляется по маршруту 4, свободному от позиций выгрузки-погрузки. Перемещение робокара осуществляется в одном направлении, без реверсирования. Робокары, возвращающиеся по маршруту 4, а также от позиций у автоматизированных складов, могут быть направлены по маршруту 5 для подзарядки у станции зарядки 6. Предусмотрен также резервный маршрут для расположения излишних в данный момент робокаров. Оперативные накопители поддонов и приемные позиции поддонов у станков и автоматизированных складов выполнены в виде роликовых конвейеров. Автоматизированная транспортно-складская система осуществляет складирование, комплектование и доставку по запросу операторов в производственные участки заготовок, режущего и мерительного инструмента, оснастки и технической документации в поддонах после выполнения предыдущего задания. Переналадку станков для выполнения нового задания (изготовления партии новых изделий), включая смену приспособления, инструмента, подачу и закрепление очередной заготовки и ее выгрузку со станка в тару, осуществляет оператор также, как в автономно эксплуатируемых ГПМ.
Для улучшения организации производства применяются система планирования и управления на базе вычислительной техники, а также система планово-предупредительного обслуживания рабочих мест (ППОРМ). Назначение ППОРМ - своевременное обеспечение рабочих мест в соответствии со сменными заданиями всем необходимым для непрерывной и производительной работы. Функционирование системы ППОРМ позволяет сократить внутрисменные простои производственных рабочих в 2 раза. ГАУ ГПК-1 2-го уровня автоматизации (см. рис. 7.13) показан на рис. 7.20. Разработанный в НИАТ ГАУ предназначен для изготовления корпусных и кольцевых деталей диаметром до 800 мм и высотой до 800 мм. АТСС ГТК-1 транспортирует детали массой (со спутником) до 1000 кг, число ячеек оперативного накопителя спутников 10. ГАУ ГПК-1 характеризуют:
а)	широкие технологические возможности, обеспечивающие обработку с высокой точностью (± 0,01 мм при позиционировании) корпусов как прямоугольной, так и сложной пространственной формы на четырех и пяти координатных ГПМ, входящих в состав ГПК-1, оснащенных современной системой ЧПУ типа CNC (со встроенной микро-ЭВМ), автоматической сменой инструмента (из магазина емкостью в 30 инструментов на каждый шпиндель), устройством контроля размера фактической поверхности;
205
б)	высокая производительность обработки благодаря возможности реализации высоких режимов резания (частоты вращения шпинделя в диапазоне 20-6000 об./мин и подачи до 10 м/мин), одновременной обработки несколькими инструментами от двух или трех шпинделей;
в)	эффективность использования в серийном производстве в результате быстрой переналадки технологического оборудования на изготовление другой детали за счет автоматического ввода в ГПМ новой программы из центральной ЭВМ и автоматической загрузки-выгрузки в ГПМ новой заготовки на спутниках унифицированной конструкции АТСС с робокаром со скоростью перемещения 60 м/мин;
г)	высвобождение свыше шести человек производственных рабочих при двухсменной работе за счет перехода на режим автоматической работы всего оборудования ГАУ от центральной ЭВМ, обеспечения автоматического контроля обработки непосредственно на станке от высокоточных датчиков контакта;
д)	легкая адаптация к производственным условиям конкретного оборудования с применением метода агрегатирования и модульной конструкции.
Рис. 7.20. Гибкий автоматизированный участок мод. ГПК-1 2-го уровня автоматизации:
/ - технологические модули (4 шт.); 2 - моечная камера для очистки деталей от стружки; 3, 4 - склад заготовок и обработанных деталей; 5, б, 7, 8 - манипуляторы; 9 - монтажный стол загрузки-выгрузки заготовок, деталей и комплектов на приспособления-спутники; 10 - стол подготовки и наладки инструментов; И - спутники; 12 - операционный накопитель; 13 - стол оперативного контроля деталей; 14 - агрегаты загрузки спутников (6 шт.); 15 - автоматическая рельсовая транспортная тележка; 16 - управляющий вычислительный комплекс
Срок окупаемости ГПК-1 при эксплуатации в три смены - 3...4 года. В течение первого года на ряде предприятий достигнуто повышение производительности труда в 2...2,5 раза (по сравнению с ранее существовавшими производственными процессами), высвобождение 9... 10 станков, сокраще-206
ние цикла обработки в 3...5 раз, сокращение брака в 4 раза, повышение качества продукции за счет повышения точности и стабильности обработки; чистоты поверхностей, что сократило слесарную доработку, упростило сборочные работы; улучшение условий труда за счет исключения ручных работ при транспортировании и загрузке на станки заготовок, при очистке от стружки деталей и производственных площадей.
Еще несколько кратких примеров схем ГАУ, нашедших промышленное применение.
ГАУ «Талка 500» Ивановского станкостроительного ПО показан на рис. 7.21. Он предназначен для комплексной обработки корпусных деталей размером до 500x500x500 мм в условиях мелкосерийного производства. Состоит из четырех ГПМ 5 «Модуль 500», АТСС 6, включающий автоматизированный склад 3, отделений 2 и 4 подготовки приспособлений на спутниках и инструментальных комплексах, центра 1 автоматизированной технологической подготовки и управляющего вычислительного комплекса УВК 7. Верхний уровень УВК осуществляет оперативно-календарное планирование производства, учет и диспетчирование хода производства и управление ходом производства, а нижний уровень - управление ГПМ и АТСС. Внедрение ГАУ «Талка 500», по данным разработчиков, позволило повысить производительность труда в 1,65 раза, сократить количество оборудования в 2,2 раза и требуемую численность рабочих в 4,5 раза.
Рис. 7.21. Гибкий автоматизированный участок «Талка 500»
Схема ГАУ фирмы Werner (Германия) приведена на рис. 7.22.
ГПМ работают по принципу взаимозаменяемости и содержат инструментальные магазины.
Так как.у ГПМ со спутниками менее 500x500 мм затраты в расчете на один станок гораздо меньше, чем у больших ГПМ, расходы на периферийное оборудование ГПС должны находиться также в соответствующем соотношении. Поэтому требуется новая, выгодная в стоимостном отношении системная концепция, обеспечивающая и при небольших ГПМ реализацию высокоэкономичных системных решений. Эффективность подобной системы обеспечивается в связи с высокой производительностью транспортной системы благодаря высокой скорости тележки (90 м/мин) и передачи спутников (за 7 с), а также смены инструментов между шпинделем и кас-
207
Рис. 7.22. План гибкого автоматизированного участка фирмы Werner:
1 - ГПМ; 2 - моечная машина; 3 - рельсовый робооператор для снабжения инструментами; 4 - места загрузки и разгрузки; 5 - рельсовая тележка для транспортирования заготовок и изделий; 6 - места ожидания для спутников заготовок и изделий (60 мест); 7 - место предварительной наладки инструмента; 8 - стеллажи (накопители) для инструмента (3 шт.)
сетным магазином (в течение 5 с). Типовые схемы ГПС обработки тел вращения аналогичны рассмотренным выше для обработки корпусных деталей. Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании АТСС для ГПС токарной обработки, является выбор принципа складирования: централизованный, со штабелером, обеспечивающим стеллажное складирование, с распределенным складом в виде подставок или стеллажный с расположением стеллажей вдоль пути транспортных средств (ТС), что предполагает непосредственное взаимодействие ТС с ячейками такого склада. Каждая из этих компоновок имеет свои преимущества и недостатки. Так, централизованный склад имеет меньшую площадь, так как вертикальный габарит поддонов для токарных ГПМ обычно не превышает 300 мм, что обеспечивает реализацию многоэтажного накопителя большой емкости и удовлетворяется ТС одностороннего взаимодействия. Существенным недостатком централизованного склада является необходимость в сложном и дорогостоящем штабелере, обеспечивающим перенос поддонов с ТС в позиции склада, а также на позицию загрузки-разгрузки и обратно.
Распределенный склад значительно конструктивно проще и дешевле. Он представляет собой ряд подставок (тумб) вдоль пути ТС, обычно без каких-либо сложных механизмов. Однако, такая компоновка обычно предполагает двухстороннюю работу механизмов перемещения поддонов на ТС. Окончательные выводы о целесообразности той или иной компоновки можно сделать только в каждом конкретном случае после проведения исследований с помощью имитационного моделирования. Схемы отмеченных выше двух типов ГПС приведены на рис. 7.23.
208
4
5
5
I
6
Б
Рис. 7.23. План гибкого автоматизированного участка токарной обработки:
а - со стеллажным складированием; б - с централизованным складированием; 1 - внешний накопитель; 2 - ГПС загрузки-разгрузки; 3 - штабелер централизованного склада; 4 - стеллажи; 5 - транспортное средство (тележка); 6 - ГПМ
ГАУ мод. ГПК-3 3-го уровня автоматизации, разработанный НИАТ, предназначен для рационального (с высоким коэффициентом использования материала) группового раскроя листовых полуфабрикатов (с последующим их формообразованием) из алюминиевых сплавов в пакете размером 3000x1200x15 мм фрезерованием на спутниках в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства.
Производственный процесс, выполняемый на ГАУ, включает следующие операции: доставку листовых заготовок с центрального склада на участок с транспортными тележками; комплектовку пакетов роботом на столе; съем пакета со стола и передачу пакета на накопитель штабелером; прием пакета с накопителя и передачу его на клепально-сверлильный модуль робокаром; склепывание пакета с поддоном так, что исключается возможность относительного смещения деталей в процессе обработки; съем пакета с клепально-сверлильного модуля и передача его на один из фрезерносверлильных модулей робокаром; фрезерование наружных и внутренних контуров деталей, сверление отверстий и высверливание стержней фрезерно-сверлильным модулем; съем пакета с фрезерно-сверлильного модуля и передача его на накопитель готовых пакетов робокаром; снятие заусенцев, маркировка, выборочный контроль и раскладка деталей в соответствующую тару, осуществляемые на участке разборки деталей.
209
Двухсменная работа участка обеспечивается двумя складами пакетов. Заполнение одного склада пакетами листов производится в первую смену, при этом пакеты на участок разборки поступают непосредственно с производственного участка и с другого склада поочередно.
Центральная ЭВМ включает АСТПП, которая обеспечивает автоматизированную подготовку программ обработки на ГАУ не освоенных ранее деталей и содержит систему получения числовых данных о геометрии деталей, автоматизированную систему рационального раскроя листов, систему оперативного планирования и диспетчирования работы ГАУ. Система получения числовых данных и геометрии деталей предназначена для получения цифровых моделей, необходимых для подготовки управляющих программ. Цифровая модель может быть получена в диалоговом режиме с ЭВМ с использованием средств машинной графики.
Одновременно с проектированием деталей производится автоматизированное проектирование технологических процессов их обработки на станочных модулях.
Автоматизированная система рационального раскроя предназначена для проектирования планов раскроя в автоматическом режиме и подготовки управляющих программ с использованием ЭВМ.
Система оперативного планирования и диспетчирования предназначена для обеспечения ритмичного производства на участке. Система получает сменно-суточные, месячные и квартальные задания от центральной службы управления производством предприятия (АСУП) и определяет очередность обработки пакетов с учетом имеющихся ресурсов листовых заготовок.
Автоматизированные системы управления технологическим оборудованием (АСУТО) и технологическим процессом (АСУТП) через функциональное программное обеспечение работы участка осуществляют непосредственное управление технологическими модулями, синхронизацию работы технологических модулей (централизованное управление в реальном масштабе времени), оперативное планирование производственных процессов, диспетчеризацию распределения управляющих технологических программ по станочным модулям, документирование хода и результатов производственных процессов.
В условиях мелкосерийного многонрменклатурного производства (за смену выпускается в среднем 3450 деталей до 500 наименований) возможности автоматизированного перехода на изготовление новой детали (реализация 3-го уровня автоматизации) позволяет достигнуть высокой экономической эффективности, в том числе за счет роста коэффициента использования материала при раскрое листов с 0,4 до 0,85.
ГПС 3-го уровня автоматизации фирмы Voest-Alpine (Австрия), предназначенная для обработки деталей типа «тела вращения», разработана и внедрена австрийской фирмой Voest-Alpine. План расположения технологического оборудования ГПС приведен на рис. 7.24.
В ГПС входят:
девять многоцелевых токарных станков с револьверными головками на 12 инструментов, инструментальными магазинами на 15 позиций для сверлильно-фрезерного устройства и внешний инструментальный магазин на 96 позиций. Кроме того, в станки входят:
двухплечевой робот, одно плечо которого предназначено для смены инструмента, а второе - для снятия и загрузки деталей;
210
вяжи
• Л-:::::::::-.»	~.~~1
nun
//////////A
7////////Л
цщр
WS/SSSSSM
7//////////A
'SSSSSSSSM
3
8
Рис. 7.24. План гибкой производственной системы фирмы Voest- Alpine:
1 - токарно-фрезерный станок (9 шт.); 2 - участок подготовки инструмента; 3 - склад;
4 - участок комплектации заготовок и деталей; 5 - станция зарядки робокаров; 6 - моечная машина (2 шт.); 7 - многоцелевой станок; 8 - робокар
две наладочные станции для приема специальных поддонов (палет) с инструментом и технологической оснасткой;
приемо-отправительная станция, передающая система, обеспечивающая передачу поддона с приемной станции в зону работы робота;
система удаления стружки из зоны станка и от станка на гарпунные конвейеры;
устройство фиксированного останова шпинделя; программируемые задняя бабка и люнет;
устройство контроля за износом и поломкой инструмента; централизованная система подачи СОЖ;
один многоцелевой фрезерно-расточный станок, также работающий с многоместными поддонами для заготовок;
автоматическая линия мойки;
автоматизированная транспортно-складская система со складом на 1000 поддонов, участком комплектования поддонов; четыре робокара с четырьмя станциями загрузки;
система инструментообеспечения, включающая склад инструментов, технологической и инструментальной оснастки и четыре стенда для предварительной настройки инструмента.
Схема управления ГПС (рис. 7.25) включает: верхний уровень - планирование производства и центр подготовки программ и технологии; средний уровень - диспетчеризация и контроль за ходом производства, управление транспортно-складским комплексом; нижний уровень - непосредственное управление процессами формообразования, транспортировки, контроля, манипулирования.
Переналадка ГПМ на обработку детали другой номенклатуры по операциям смены технологической и инструментальной оснастки, схватов ро
211
ботов, замене инструмента в магазине станка выполняется вручную или автоматически. В первом случае время переналадки - до двух часов. Средний размер партии изготовляемых деталей - 300 шт. В ГПС осуществляется периодическая выдача программ обработки и транспортировки.
Рис. 7.25. Схема управления гибкой производственной системы фирмы Voest-Alpine
7.4. Агрегатно-модульный принцип построения ГПС
ГПС обычно формируется по потребностям конкретного производства и должна иметь технологическое оборудование повышенных качества и надежности и всех входящих в его состав систем (АТСС, АСИ, систем управления и др.), а значит, максимального использования апробированных в эксплуатации всех составных элементов этого оборудования и систем. Поэтому наибольшего эффекта при создании ГПС можно достигнуть, используя агрегатно-модульный метод построения ее компонентов и их элементов. При этом под модулем понимается первичный элемент ГПС, выполняющий законченную технологическую операцию (обработку, транспортировку, складирование и т.п.) или операцию планирования, управления процессами обработки, контроля, технологической подготовки производства и др., а под агрегатом понимается компонент модуля - унифицированный элемент, который может быть самостоятельно разработан, изготовлен и внедрен, однако присущие ему функции он может выполнять только в составе модуля.
Агрегатно-модульный принцип построения гибких производственных систем обеспечивает построение станочного модуля, в наибольшей степени приспособленного для изготовления деталей заданных конфигураций и размера (по числу и виду координат, их взаимному расположению, значениям перемещений по этим координатам и т.п.); сокращение объемов и сроков разработки конструкторской документации; снижение стоимости изготовления вследствие серийного изготовления унифицированных эле
212
ментов на специализированных заводах; увеличение надежности работы ГПС и упрощение их эксплуатации в связи с применением апробированных конструкций агрегатов; возможность формирования компоновочных структур ГПС под конкретные производственные площади и производственные планы каждого заказчика в отдельности.
Все приведенные в подразделе 7.3 ГПС в большей или меньшей степени создались с использованием агрегатно-модульного принципа построения. В полной мере этот принцип использован при разработке ГАУ ГПК-1 (см. рис. 7.20), который изготовлялся серийно и внедрен на многочисленных машиностроительных предприятиях нашей страны. Ниже приведены некоторые данные о применении агрегатно-модульного принципа построения ГПК-1.
В типовой структуре ГПК-1, показанной на рис. 7.20, использованы четыре ГПМ трех типов:
АГП 630-800-1.3 с поворотным столом и одной стойкой со шпиндельной бабкой, число координат 4 (X К Z, В);
АГПН 630-800-2.3 с наклонно-поворотным столом и одной стойкой со шпиндельной бабкой, число координат 5 (X К 2, А, В);
АГП 630-800-2.3 с поворотным столом и двумя стойками со шпиндельными бабками, число координат 7 (X, Y, Z, U, V, W, В).
Все ГПМ оснащены агрегатами автоматической загрузки заготовок и выгрузки обработанных деталей. Эти и другие модификации ГПМ построены на базе десяти агрегатов - унифицированных узлов, управляемых по числовой программе (рис. 7.26): стоек со шпиндельными бабками, столов поворотного и прямолинейного перемещения, механизмов автоматиче-
t
Рис. 7.26. Агрегаты, управляемые от устройств ЧПУ и используемые в гибкой производственной системе типа ГПК-1:
а - стойка со шпиндельной бабкой с горизонтальным шпинделем; 6 - то же, с вертикальным шпинделем; в - стол крестовый; г-и - столы соответственно продольный, поперечный, крестово-поворотный, кругового движения с вертикальной осью вращения планшайбы, кругового движения с горизонтальной осью вращения планшайбы, наклонно-поворотный;
к - механизм автоматической смены инструментов
213
ской смены инструментов. Из перечисленных узлов проработано 30 моделей ГПМ, наилучшим образом обеспечивающих обработку тех или иных деталей. Количество и модели ГПМ в составе различных модификаций ГПС могут варьироваться. Схемы компоновок ГПМ на базе агрегатов, указанных на рис. 7.26, представлены на рис. 7.27.
Рис. 7.27. Схема компоновки гибкого производственного модуля, разработанных на базе агрегатов, представленных на рис. 7.26:
а-г, е - горизонтальные, соответственно с поворотным столом и тремя стойками со шпиндельными бабками, две из них перемещаются по дуге, центр которой совпадает с осью планшайбы поворотного стола; с поворотным столом и одной стойкой со шпиндельной бабкой; с поворотными столами с горизонтальной осью вращения планшайбы; с поворотным столом с горизонтальной осью вращения планшайбы и одной стойкой со шпиндельной бабкой; с продольным столом и двумя стойками со шпиндельными бабками; д - вертикальный с поворотным столом и вертикальной осью вращения планшайбы и двумя стойками со
шпиндельными бабками
214
АТСС ГПК-1 включает модули, описанные ниже:
а)	монтажный стол, на который поступает пустой спутник, а обрабатываемая деталь зажимается вручную. Для удобства работы монтажный стол можно регулировать по высоте в зависимости от высоты обрабатываемой детали; возможно также поворачивать стол вручную. Стол служит также для разгрузки готовой детали;
б)	агрегат загрузки спутников (АЗС) служит для загрузки спутников с заготовкой на стол ГПМ, а также для отвода спутника с обработанной деталью со стола. Этот модуль служит также для загрузки спутников с готовой деталью в камеру очистки. Вся работа АЗС осуществляется в режиме работы ГПМ и ГАУ;
в)	автоматическая транспортная тележка. Выполняет транспортные и загрузочно-разгрузочные операции между ячейками оперативного накопителя, столом контроля и агрегатами загрузки спутника на монтажный стол и ГПМ. Тележка перемещается по рельсам. Загрузочно-разгрузочные операции выполняются в обе стороны от направления ее перемещения. Работа тележки осуществляется в автоматическом (управление от ЭВМ) и полуавтоматическом (управление от пульта, расположенного рядом с рабочим местом оператора) режимах;
г)	ячейка оперативного накопителя. Предназначена для размещения задела заготовок, установленных на спутниках, а также обработанных деталей. Количество ячеек оперативного накопителя в ГАУ может варьироваться для каждой модификации комплекса.
В другие автоматизированные системы ГАУ ГПК-1 входят нижеприведенные модули:
а)	камера очистки, в которой производится удаление стружки с деталей, обработанных на ГАУ. Подаваемая в камеру агрегатом загрузки деталь на спутнике автоматически закрепляется на поворотном устройстве, которое обеспечивает ее разворот вокруг горизонтальной оси на 180 , а затем в исходное положение. Одновременно через систему трубопроводов подается эмульсия (или сжатый воздух) для удаления стружки. Дверцы камеры открываются и закрываются автоматически;
б)	устройство кодирования инструмента и спутников. Служит для записи и считывания кодов инструмента и спутников вне станка;
в)	прибор предварительной настройки инструментов вне станка.
Агрегатно-модульный принцип заложен во все системы управления ГАУ ГПК-1. В результате представляется возможным быстро, экономично и надежно формировать практически неограниченное число модификаций ГАУ типа ГПК-1.
Агрегатно-модульный состав основных и вспомогательных компонентов ГПС предусматривает стандартные габариты и формы сопрягаемых устройств, позволяющих без значительных доработок компоновать разнообразные ГПС, использовать в них одни и те же спутники, инструмент, сократить на предприятии, применяющем ГПС, номенклатуру обслуживаемых узлов, машин и систем и тем самым облегчить эксплуатацию этих достаточно сложных систем машин.
Основными параметрами сопряжения ГПС считаются: габариты обрабатываемых деталей; габариты столов-спутников и поддонов (кассет, тары); размеры и форма поверхностей сопряжения инструмента; высота загрузки технологического оборудования и автоматизированных транспорт-
215
но-складских систем (АТСС); параметры АТСС (габариты перемещаемых изделий; грузоподъемность; скорость перемещения; высота стеллажей). Основные параметры сопряжения ГПС определяются государственными стандартами.
Сочетание ГПМ и транспортных средств АТСС ГПС определяется высотой загрузки технологического оборудования, которая регламентируется ГОСТ 27779-88 «Системы производственные гибкие. Высота загрузки технологического оборудования и автоматизированных транспортных складских систем (АТСС)». Под высотой //загрузки (рис. 7.28) технологического оборудования (рис. 7.28, а) и АТСС (рис. 7.28, б) понимают расстояние от уровня пола, совпадающего с нулевой отметкой, до базовой поверхности столов-спутников или до плоскости перемещения тары с ложементами и др. Значения Н при использовании столов-спутников приведены в табл. 7. 1.
/ S
Рис. 7.28. Высота загрузки ГПМ (а) и транспортных средств АТСС (б):
1 - базовая поверхность столов-спутников; 2 - уровень пола (совпадает с нулевой отметкой)
7.1. Высота загрузки при использовании столов-спутников по ГОСТ 27218-87
Размер стола-спутника, мм	Г рузоподъемность транспортного средства, кг	Н, мм (точность исполнения ±0,2...+0,5 мм)
200x200; 200x250; 250x250; 250x320; 320x320; 320x400; 400x400; 400x500	До 1000	850*;1060
500x500; 500x630; 630x630; 630x800		1060; 1250**
800x800; 800x1000; 1000x1000; 1000x1250	До 3200	
1250x1250; 1000x1250		1250
1600x1600; 1600x2000; 2000x2000; 2000x2500; 2500x2500	До 5000	
Примечания:
По согласованию с потребителем.
** Высота загрузки 850 мм предназначается только для агрегатных станков.
216
ГОСТ 27779-88 регламентирует также высоту загрузки при использовании тары по ГОСТ 14861-86 и поддонов с ложементами.
ГОСТ 27218-87 регламентирует конструкцию спутников и норму точности на их изготовление.
По ГОСТ 28336-89 регламентируются типоразмеры робокар в зависимости от вида и размеров грузовой единицы (тары, поддона с ложементами (стола-спутника), скорость передвижения робокара с номинальным грузом, скорость перемещения грузовой единицы на грузовом устройстве, минимальный радиус кривизны трассы, точность останова робокара и позиционирования грузового устройства робокара для различной тары и т.п., применяемость типов грузового устройства.
7.5.	Правила приемки и эксплуатация ГПС
Основными задачами приемки являются оценка созданного ГПС на соответствие основным показателям согласно ГОСТ по терминам, определениям и номенклатуре показателей ГПС, а также оценка соответствия ГПС техническому заданию с учетом требований ГОСТа и потребителя. Правила приемки ГПС в промышленную эксплуатацию определяются РД 1.4.1751-87 «Методические указания. Системы производственные гибкие. Правила приемки» Этапы проведения приемочных испытаний ГПС согласно данным методическим указаниям приведены в табл. 7.2.
Предварительные испытания относятся к опытным образцам ГПС и производственным образцам ГПС единичного изготовления и включают опытную эксплуатацию, приемочные испытания в порядке, установленном заказчикам по согласованию с изготовителем. Испытания проводятся по программе и методике испытаний (ПМИ) согласно технической документации на принимаемый ГПС.
Испытания направлены на своевременное получение достоверной информации о фактическом качестве ГПС, в том числе на проверку соответствия показателей качества ГПС значениям, указанным в техническом задании (ТЗ) о надежности и точности обработки изделий в ГПС значениям, указанным в рабочей документации; на решение вопроса о возможности и целесообразности использования по назначению и постановке ГПС и ее модификаций на производство. Общие правила подготовки и проведения испытаний - по ГОСТ 15.001-73 и ГОСТ 15.005-86. Опытную эксплуатацию проводят по согласованной программе и методике испытаний. Продолжительность опытной эксплуатации ГПС со дня пуска до 12 месяцев.
Приемочные испытания проводят после опытной эксплуатации ГПС, при которой ГПС должна выйти на производственную мощность Приемочные испытания ГПС проводятся после окончания опытной эксплуатации системы, когда освоена заданная номенклатура обрабатываемых изделий и ГПС полностью укомплектована штатами для эксплуатации в три смены. При испытании ГПС особое внимание уделяется проверке производственной и структурной гибкости, возможности работы с ограниченным количеством обслуживающего персонала (реализация безлюдной технологии) и надежности работы ГПС.
Основным показателем при испытании ГПС на надежность принят коэффициент технического использования ГПС Кти, который выражается соотношением:
217
218
7.2. Этапы проведения приемочных испытаний ГПС (МУ РД1.4.1751-87)
Этап	Что определяется	Документ проведения этапа	Метод проверки выполнения	Проверяемые параметры	Кто проводит	Чем оформляется этап
Предварительные испытания	Возможность предъявления на приемочные испытания	План совместных работ ПМИ	Опытная эксплуатация Проверка готовности ГПС к приемочным испытаниям	Освоение заданной номенклатуры изделий •	Укомплектование кадрами: •	эксплуатация в 3 смены; •	внешний осмотр; •	работа на холостом ходу; •	работа под нагрузкой (обработка изделий 2- 3 наименований)	Комиссия из представителей изготовителя, заказчика, разработчика	•	Акт •	Протокол предварительных испытаний •	Протокол выполнения доработок
Приемочные испытания	Соответствие: •	ТЗ; •	требованиям стандартов; •	техническому уровню. •	Возможность: •	использования по назначению; •	тиражирования	ПМИ План работы комиссии	По ГОСТ 4.368-85 Испытания на: •	производственную гибкость; •	структурную гибкость; •	реализацию безлюдной технологии; •	надежность	•	Показатели качества •	Время переналадки на другую деталь •	Время перевода обработки на другой ГПМ •	Время работы ГПС без оператора •	Коэффициент технического использования	Приемочная комиссия Министерства или комиссия из представителей изготовителя, заказчика, разработчика	•	Акт •	Протокол •	Карта технического уровня •	Расчет экономической эффективности
кти -
где Тн - время суммарной наработки за сутки ГПМ (станков), входящих в ГПС; при этом под наработкой ГПМ понимается сумма времени работы по управляющей программе, вспомогательного времени и подготовительнозаключительного времени.
Н/’
Тн7 - время наработкиу-го ГПМ (станка), входящего в ГПС, п - число ГПМ (станков), входящих в ГПС;
Твэ ~ суммарное эффективное (технически необходимое) время восстановления работоспособности ГПМ (станков), входящих в ГПС, в том числе работоспособности систем ГПС (АТСС, АСИО, центральной ЭВМ и ДР-)
Твэ ~У^Х/вэ/7,
где /вэу/ ” технически необходимое время устранения /-го отказа у-го ГПМ (станка); Nj - число учитываемых отказов у-го ГПМ (станка); tB3ji
- фактическое время устранения отказа, зафиксированное при хронометраже;
Тто ” суммарное время ежесуточного регламентированного технического обслуживания ГПМ (станков) и систем ГПМ, приводящего к простоям ГПМ (станков), оговоренное в руководстве по эксплуатации данного вида оборудования
п Л/j
п I
Тто = 2E2L/
ТО7Р
где tjoji - фактическое время /-го простоя у-го ГПМ (станка) при проведении технического обслуживания, зафиксированного при хронометраже;
М, - число учитываемых простоев у-го ГПМ (станка), обусловленное техническим обслуживанием.
Значение Кти устанавливается в ТЗ для каждой ГПС с учетом нормативов текущих регламентированных работ (без учета среднего и капитального ремонтов) и принятого уровня автоматизации ГПС по ГОСТ.
Фактическое значение коэффициента технического использования ГПС КТИФ определяется по данным испытаний. При определении фактического значения коэффициента технического использования ГПС, в том числе из-за отказов других составных частей ГПС: центральной ЭВМ, АТСС, АСИО.
ГПС считается принятой по показателю надежности, если фактическое значение КТИФ будет соответствовать регламентированному значению Кти за сутки, записанному в ТЗ (ТУ) на ГПС или превысит это значение.
На наш взгляд, важным значением проведения испытаний ГПС по отмеченным методическим указаниям (МУ) является гарантия того, что принятая по ним ГПС будет соответствовать смыслу ГПС. Опыт приемки ГПС
219
по МУ показывает, что применение МУ организует и облегчает работы разработчика, изготовителя и потребителя ГПС.
Вопросам эффективного использования ГПС систематически уделялось большое внимание за рубежом. Вот краткое изложение выводов, к которым приходит фирма Werner and Kolb (Германия), изготовившая и внедрившая свыше 100 ГПЯ и ГАУ. Как правило, применяются ГПС с однородными, полностью взаимозаменяющимися ГПМ. После пуска в эксплуатацию они работают в две смены и в течение 6 месяцев выходят на 90% общей возможной производительности ГПМ. Техническая готовность интегрирования в систему ГПМ достигает примерно 96%. При этом под технической готовностью понимается отношение разности между машинным временем и временем простоев, вызванных по техническим причинам, к времени работы ГПМ (станка); фактическое использование ГПМ (станка) определяется как отношение разности машинного времени к времени простоев, вызванных по техническим и организационным простоям, к времени работы ГПМ (станка). Она должна быть обеспечена перед монтажом периферийных устройств системы. При благоприятных общих условиях после одногодичной эксплуатации может быть достигнуто 92% возможной производительности ГПМ. Возникающие неполадки в большинстве случаев могут быть устранены обслуживающим персоналом технического обслуживания за короткий срок, а отказы всей ГПС случаются относительно редко.
На отдельных ГПС с управлением от центральной ЭВМ предприятия работают в три смены. Установленная техническая готовность составила в период обследования ГПС 93% (рис. 7.29). Для отдельных ГПМ была установлена техническая готовность 97% (рис. 7.30, а). Эффективное использование ГПС (произведенное количество штук за время выполнения программы), отнесенное ко всему эксплуатационному периоду, составляло 83%, так что организационные потери составили 10%. Причины разные, но главная - недостаток заготовок и инструментов.
Рабочий день
Рис. 7.29. Техническая готовность к работе (1) и использование ГПС (2) из четырех ГПМ фирмы Werner und Kolb
220
Многоцелевые станки Система
Рис. 7.30. Доля времени простоя по техническим (У) и организационным (2) причинам на примере рис. 7.29 (а) и в ГПС, состоящей из пяти ГПМ фирмы Werner und Kolb (б)
В другом случае системы из пяти ГПМ установленная техническая готовность составила 91%, а эффективная степень использования ГПС - 85%. Снижение степени использования по причине организации составило 6% и вызвано нехваткой сырья и неоднократной наладкой новых программ (рис. 7.30, б).
Некоторые обобщенные данные указаны в табл. 7.3 и 7.4.
На всех эксплуатируемых ГПС безлюдный режим работы практикуется лишь ограниченное время. В докладе указывается, что причиной этого является, в частности, еще недостаточно универсально и надежно работающие системы контроля изделий и инструментов.
221
1.3. Данные из практики пользователей ГПС фирмы Werner und Kolb
Пользователь ГПС	Модель ГПС	Техническая готовность, %	Фактическое использование, %
BMW (Мюнхен)	800-5	91,1	84,8
MAN (Штеркраде)	800-4	91,9	82,7
Muller (Фрик)	630-2	94,5	86,1
Saner (Неимюнстер)	630-4	93,1	84,8
Fritz-Werner (Гейзельхепм)	500-2	94,9	87,7
Engel (Валентин)	630-4	94,3	87,5
Среднее значение		93,3	85,6
7.4. Сравнительные данные эксплуатации ГПМ автономных и в составе ГПС, %
Показатели	Автономные ГПМ	ГПС из тех же ГПМ
Техническая готовность	96,6	91,5
Фактическое использование	79,0	88,1
Выход продукции	74,0	85,5
И все-таки, работа в третью смену практикуется, чтобы перекрыть узкие места производственной программы. Однако это делается чаще всего под надзором и нередко с обслуживанием. Часто производство продолжается с полной нагрузкой по субботам. Иногда оправдывалось включение между двумя рабочими сменами безлюдного производства по 4 ч. Таким образом, двумя бригадами 6 дней в неделю поддерживается 24-часовой режим работы. Число обслуживаемых одним человеком станков зависит от средней продолжительности обработки изделий на одной палете. При продолжительности обработки 20 мин один человек может обслужить четыре ГПМ. Цель развития ГПС состоит в том, чтобы автоматически работающая ГПС наряду с автоматическим снабжением заготовками и инструментом была в состоянии распознать ошибки в обработке и отклонения от заданных размеров и самостоятельно реагировать на них.
Причины отказов ГПС по данным фирмы Werner and Kolb заключаются в следующем. Главными источниками отказов являются спародические неполадки в области электрооборудования в результате отказа выключателей, контактов и измерительных систем. Неполадки в устройствах ЧПУ и ЭВМ возникают сравнительно редко, интенсивность отказов составляет, как правило, менее 2%. Частотная доля отказов в механическом оборудовании значительно меньше, однако продолжительность их устранения значительно больше, чем в электрооборудовании. Для систематического сужения сферы причин неполадок необходим целенаправленный анализ обнаружения ненадежных элементов ГПС на базе долговременных наблюдений. Для этого следует произвести автоматическую своевременную регистрацию эксплуатационных данных и их анализ.
Нередко даже при высокой технической готовности практическая производительность ГПС составляет лишь 80%, а то и меньше, от теоретически возможной вследствие недостаточно хорошей организации производства. Так, при трехсменной работе нередки случаи, когда утром к началу смены ГПС не готова к работе, что обусловлено чаще всего неполадками, которые происходили во время безлюдной ночной смены и не могли быть устранены обслуживающим персоналом. Если бригада по содержа-222
нию оборудования в рабочем состоянии ночью дежурит, такие простои можно резко сократить. Следовательно, управляемые ЭВМ ГПС могут успешно работать при обслуживании их круглые сутки знающим дело и заинтересованным в работе персонале, оснащенным автоматическими диагностирующими устройствами для обнаружения ошибок, их локализации и устранения.
Мероприятия по улучшению готовности ГПС.Факторы, определяющие степень использования ГПС, приведены на рис. 7.31. Изготовитель должен обеспечивать высокую базисную надежность и удобную для техобслуживания и ремонта конструкцию оборудования. Однако техническая готовность ГПС в неменьшей мере зависит от того, насколько пользователь в состоянии создать хорошее техническое обслуживание ГПС. Необходимо тесное сотрудничество между изготовителем и пользователем ГПС-. Важными предпосылками являются хорошее обучение персонала, предоставление ему детализованной документации и понятных инструкций по обслуживанию оборудования.
Организационная готовность	Техническая готовность		
			
Пользователь	Изготовитель		Пользователь
			
Организация производства : тренировка программистов и операторов улучшение организации построения и технологии улучшение складского хозяйства	Надежность: высокая базисная надежность резервирование защита от периферийных помех	Содержание в рабочем состоянии: удобство для технического обслуживания возможность для инспекции удобство для проведения ремонта	Организация содержания'. высокая квалификация персонала по техобслуживанию хорошее обучение на соответствующем типе системы улучшение работ по содержанию в рабочем состоянии улучшение запасов запасных частей
Рис. 7.31. Факторы, влияющие на степень использования ГПС
Для обеспечения рентабельности ГПС необходимо, чтобы автоматически работающие ГПС продолжали работу во время перерывов, а также в третьей смене.
Малое число применяемых ГПС объясняется следующими причинами: на ГПС расходуются большие средства в результате увеличенного объема капиталовложений; издержки при недостаточной загрузке; значительные издержки на планирование организации работы ГПС и обучение персонала; требуется повышенная квалификация персонала обслуживания и содержания ГПС.
223
Приведенные данные об эксплуатации ГПС фирмы Werner und Kolb соответствуют отечественным данным, а достигнутые показатели надежности могут служить ориентиром для ТЗ на разрабатываемые ГПС.
7.6.	Гибкие автоматизированные участки, цехи, компьютеризированные интегрированные производства
В подразделах 7.1, 7.3 и 7.5 было показано, что практическое использование ГПС сопряжено не только с введением в производство новой техники, но и, что особенно важно, новых категорий специалистов высокой квалификации, новой системы планирования и организации производства с тщательной увязкой во времени всех элементов технологического цикла. Были получены данные о том, что эффект от ГПС возрастает там, где работают несколько ГПС, где весь цикл производства от заготовок до готового изделия автоматизирован. Поэтому на предприятиях стремятся к переходу от гибких автоматизированных участков к автоматизированным цехам с включением в них, помимо ГПМ, специализированных станков, обеспечивающих замкнутый цикл производства. В подобных ГАЦ обеспечивается: связь между участками ГПМ, отдельными станками и ручными рабочими станциями; целостность управления от ЭВМ несколькими ГАУ с централизованным снабжением заготовками и инструментом, а также автоматическим управлением с обратной связью; благодаря модульной структуре ГАУ представляется возможность поэтапно создавать гибкий автоматизированный завод (ГАЗ) на базе компьютерной интеграции производства в соответствии с конкретными условиями производства.
Имеется много примеров создания ГАЦ различного уровня автоматизации силами самих предприятий. Схема подобного цеха показана на рис. 7.32. ГАЦ включает автоматизированный склад 1 на 1040 ячеек, от
Рис. 7.32. План гибкого производственного цеха
224
которого к 110 станкам 2 с ЧПУ и ГАУ 3 идут три транспортные линии 4 с автоматическими тележками 5, использующими универсальные поддоны. Места разгрузки поддонов 6 обслуживают группу станков.
Проблемы, решаемые путем создания подобного цеха: расширение многостаночного обслуживания; создание заинтересованности станочников работой в механических цехах благодаря автоматизации загрузочноразгрузочных работ; повышение эффективности использования станков с ЧПУ, составляющих на предприятии до 25...30% всего оборудования, путем сосредоточения их в одном месте (при цехе находится отдел разработки программ и отдел автоматизации со штатом наладчиков); оперативное маневрирование высокопроизводительным оборудованием с ЧПУ благодаря автоматизированному управлению цехом от ЭВМ; обеспечение строгого учета состояния производства (через автоматизированный склад).
В 90-е годы в мировой практике и в России наблюдается тенденция к созданию комплексного автоматизированного на базе вычислительной техники, интегрированного производства (Computer Integrated Manufacturing (CIM)). Благодаря ОМ создается сплошная информационная цепь - от заказчика до индивидуального производственного задания. CIM рассматривается [9] как следующая ступень развития ГПС, при этом предполагается, что ГПС завтрашнего дня должна располагать большим числом технологических операций для большего ассортимента выпускаемой продукции. Создание CIM рассматривается как долгосрочная задача синхронизации многочисленных функций предприятия, а также различных систем ЭВМ.
CIM требует как решения технологических и организационных вопросов, так и учета человеческого фактора. Если раньше большинство специалистов считали, что гибкая автоматизация приведет к уменьшению роли человека на производстве, то теперь преобладает точка зрения, что значение человеческого фактора будет возрастать. Многие эксперты считают, что любые, даже самые лучшие технические и организационные решения в области гибкой автоматизации без учета человеческого фактора потерпят неудачу. Под CIM подразумевается объединение ГПС и САПР, соответствующее третьему уровню автоматизации; объединение производственной, управленческой и финансовой информационных систем на предприятии, т.е. создание в конечном итоге комплексного автоматизированного предприятия - гибкого автоматизированного завода.
Согласно отечественной концепции, гибкий автоматизированный завод определяется как организационно оформленное, системно интегрированное компьютеризированное производство, обеспечивающее выпуск товарной продукции в условиях изменяющегося рыночного спроса и функционирующее при ограниченном числе работающих.
ГАЗ строится на сочетании прогрессивной техники и технологии производства и управления с качественно новой квалификацией персонала. Для ГАЗ характерна комплексная автоматизация основных технологических переделов, соединения с автоматизацией интеллектуальной деятельности, включающей экономическую, организационную и техническую подготовку производства, управленческую и финансовую.
Главные причины и предпосылки создания ГАЗ:
а)	усиливающаяся индивидуализация запросов потребителей на различные изделия, своевременное удовлетворение которых возможно лишь
8-42
225
при высокой гибкости, достигаемой за счет автоматизации всех функций управления жизненным циклом изделий;
б)	ожесточающиеся требования к качеству (что находит свое выражение в расширении практики сертификации продукции и разработке международных стандартов качества), удовлетворить которым возможно лишь при использовании программно-управляемого оборудования с автоматическим контролем технологического процесса во всех его фазах;
в)	рост потребности в наукоемкой продукции, выпуск которой возможен лишь при высоком уровне автоматизации технологического процесса.
Основные предпосылки, стимулирующие создание ГАЗ:
а)	появление интеллектуальных программируемых контроллеров оборудования с относительно невысоким отношением стоимость/функция, обладающих малыми габаритами и высокой надежностью;
б)	широкое распространение локальных вычислительных сетей и стандартизация их архитектуры и протоколов;
в)	повышение надежности оборудования за счет использования новых конструкционных материалов и встроенных микропроцессорных систем диагностики, в результате чего становится возможной надежная работа оборудования в течение срока морального старения при условии осуществления упреждающей диагностики и ремонта;
г)	появление сравнительно недорогих супермикрокомпьютеров, позволяющих строить экономически целесообразные системы и рабочие станции для проектирования и управления;
д)	широкое распространение развитых персональных ЭВМ, которыми можно оснастить практически все рабочие места.
Создание НАЗ обеспечивает достижение сформулированных выше целей и оправдано в социально-экономическом аспекте при следующем повышении показателей технико-экономического уровня ГАЗ, раз:
Производительность труда	8-10
Фондоотдача	1,1-1,5
Выпуск продукции на единицу производственной
площади	1,5-2,5
Степень производственно-технологической
интеграции	6-8
Степень эффективности автоматизации	3-4
Показатели работы основного оборудования	1,5-2
Сокращение длительности производственного цикла
изготовления продукции:
для простых изделий	8-10
для сложных изделий	2-3
максимального разброса договорного срока
поставки продукции	8-10
В соответствии с определением ГАЗ: принципиальным его свойством является глубокая интеграция процессов экономической, организационной, конструкторско-технологической подготовки производства и изготовления изделий. Это принципиальное свойство реализуется в конкретных технических решениях, обеспечивающих автоматизацию разнообразных по фи
226
зической природе процедур и процессов, в том числе: 1) формирование технико-экономической стратегии ГАЗ; 2) реализацию производственной программы; 3) реализацию конкретного заказа.
Первая группа процессов обеспечивает долговременные внешние связи АЗ с потребителями, прогноз тенденции изменения конструкции выпускаемых изделий и автоматизированное принятие решений о дальнейшем развитии АЗ. Вторая группа процессов обеспечивает автоматизированное управление производством в целом в связи с поставщиками сырья, материалов и комплектующих изделий. Третья группа обеспечивает комплекс автоматизированных оперативных работ - от получения заказов до отгрузки готовой продукции.
Многообразные связи между процессами поддерживаются интегрированной автоматизированной системой обеспечения функционирования ГАЗ. Автоматизированные процессы и процедуры, реализуемые в ГАЗ, призваны решить технико-экономические и организационно-производственные задачи, указанные на рис. 7.33.
Рис. 7.33. Технико-экономические и организационно-производственные задачи АЗ
8*
227
В качестве первоначальных объектов реализации концепции ГАЗ в России были приняты (см. гл. 1):
ГАЗ по производству деталей, станочных узлов и станков в целом на МСПО «Красный пролетарий»;
ГАЗ по производству штампов на Тверском заводе штампов.
Создание этих заводов позволит решить комплекс общемашиностроительных проблем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Гибкие производственные комплексы /В.А. Лещенко, В.М. Киселев, Д.А. Куприянов и др. (Под ред. П.Н. Белянина и В.А. Лещенко) - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.
2.	Иванов Ю.А. Гибкая производственная система «Талка 500», «Станки и инструмент», 1985.-№5. С. 9-11.
3.	Модульное оборудование для гибких производственных систем механической обработки: Справочник /Р.Э. Сафраган, Г.А. Кривов, В.Н. Татаренко и др./ Под ред. Р.Э. Сафрагана. - К.: Техника, 1989, 175 с.
4.	Системы управления гибким автоматизированным производством: Учеб. Пособие /Под общей редакцией А.А. Краснопрошиной. - Киев, Высшая школа, Головное издательство, - 1987. - 383 с.
5.	Станки с числовым программным управлением (специализированные) В.А. Лещенко, Н.А. Багданов, И.В. Вайнштейн и др. /Под общ. ред. В.А. Лещенко. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 568 с.
6.	Фроман Б., Лезаж Ж.Ж. ГПС в механической обработке /Пер. с франц. Н.А. Шнуровой; Под общей редакцией В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1988 - 120 с.
7.	Чудаков А.Д. Системы управления гибкими комплексами механообработки. - М.: Машиностроение, 1980. - 240 с.
8.	Хортли Дж. ГПС в действии. /Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1987. - 256 с.
9.	Rolf Stain Hilber. Flexible Festigung in den neunziger Fahren. Maschine und Werkzeng, 1990-1991, № 2 p.p. 30-37.
Глава 8.
ГИБКИЕ СБОРОЧНЫЕ МОДУЛИ И СИСТЕМЫ
8.1.	Технико-экономические предпосылки автоматизации сборки изделий
Решение о создании гибкой автоматизированной сборочной системы возможно только после тщательной проработки и оценки всех аспектов автоматизации: изготовление изделий производится не менее чем три года; объем производства в год 300...600 тыс. изделий, состоящих из прессовых и резьбовых соединений деталей, и более 600 тыс...1 млн, если детали изделия соединяются по подвижным посадкам; до минимума сокращено разнообразие типоразмеров и точностных параметров деталей, осуществлена их унификация; обеспечена высокая технологичность и экономичность собираемых изделий и соединяемых деталей.
Совершенствование и проектирование изделий и деталей с учетом требований сборки сокращает затраты на изготовление и эксплуатацию ГПС, повышает ее производительность, а также снижает себестоимость сборки изделий и изготовления деталей.
Необходимым требованием для создания ГПС является выявление технической возможности автоматизации установки каждой отдельной детали собираемых изделий [1, 2]. Иначе коэффициент использования ГПС будет слишком низким, а он и при обычных условиях эксплуатации составляет всего 0,35-0,43.
8.2.	Изделия и их сборочные единицы
Конструкции изделий и их сборочных единиц многообразны, однако все они состоят из ограниченного числа соединений деталей: резьбовых, шлицевых, шпоночных и др. Сборка каждого соединения требует выполнения определенного относительного движения сопрягаемых деталей. Большинство соединений можно собирать посредством аксиального поступательного движения устанавливаемой детали. Таковы конические, цилиндрические и другие соединения деталей, сопрягаемые по поверхностям вращения. В большинстве случаев соединение этих деталей окажется возможным только при значительных допусках на относительные смещения и повороты осей посадочных поверхностей деталей. Поэтому предпочитают вести установку присоединяемых деталей посредством поступательного движения в радиальном направлении; так осуществляют укладку валов в отверстия разъемных корпусов, установку шайб-шаберов в канавки валов.
Для сборки резьбовых соединений необходимо винтовое движение.
При сборке шлицевых и шпоночных соединений, для установки присоединяемой детали на базовую деталь по плоскости и двум установочным пальцам, а также для зацепления зубчатых колес при установке их с аксиального направления, потребуется поступательное и вращательное движения.
229
Если захват и последующую установку присоединяемых деталей во все собираемые изделия производят в одних и тех же местах, то возможна подача и соединение даже разных деталей посредством манипулятора, работающего по «жесткой» программе.
Ориентировочно всегда можно определить минимальную величину рабочего пути присоединяемой детали. При аксиальной сборке эта величина несколько больше суммы максимальной длины посадочной ступени базовой детали и максимального расстояния от нее до ближайшего торца присоединяемой детали. При сборке в радиальном направлении минимально необходимая длина поступательного движения присоединяемой детали равна ее заглублению в базовую деталь, а при укладке валов в разъемный корпус - это половина минимального диаметра отверстия детали. При сцеплении зубчатых колес длина рабочего пути равна высоте зуба.
Знание величин и направлений рабочих движений, необходимой точности относительного положения деталей в собираемом объекте и способа подачи деталей из кассет-магазинов или каких-либо иных устройств позволяет приступить к выбору исполнительных устройств.
8.3.	Выбор исполнительных устройств
Обычно при сборке изделий первой устанавливают базовую деталь и обычно придают ей такое положение, при котором возможна установка всех последующих присоединяемых деталей сверху вниз. Особенно это важно для деталей, соединяемых по поверхностям вращения с гарантированным зазором, поскольку резьбовые и прессовые соединения могут быть собраны и с иных направлений: сбоку, снизу и т.д. Базирование вала при отсутствии прессовых соединений целесообразно осуществлять путем центрирования по двойной направляющей базе по свободной ступени вала, расположенной с наибольшей точностью относительно посадочных ступеней этого вала, либо по центровым отверстиям. При использовании прессовых соединений деталей валы приходится базировать по сочетанию поверхностей - по торцу (установочная база) и одной из ступеней вала (двойная опорная база).
Если захват и последующую установку присоединяемых деталей во все собираемые изделия производят с одного направления в одних и тех же местах и захват даже разных присоединяемых деталей производят из одного и того же места, то возможна подача и соединение даже разных деталей посредством манипулятора, работающего по «жесткой» программе.
Подача и центрирование различных деталей 1 из лотковых загрузочно-транспортных средств достигается применением на выходе из лотков 2 питателя упругих отсекателей 3, образующих призму (рис. 8.1, а). Если присоединяемые детали 1 выдаются из разных лотковых устройств, то в дальнейшем каждая из них последовательно поступает в одно и то же место - призму 3 (рис. 8.1, б).
При сборке разных изделий, если присоединяемые детали устанавливаются в одно и то же место и поступают с другого также постоянного места, представляется возможным осуществлять перемещение всех деталей по одной общей для них траектории. Это позволяет использовать при сборке изделий в серийном производстве при установке базовой и присое-230
1
1
Рис. 8.1. Питатели загрузочно-транспортных устройств для подачи деталей: а - из одного лотка; б - из нескольких лотков;
1 - детали; 2 - лоток; 3 - центрирующие упругие отсекатели;
4 - отсекатель поштучной подачи
Рис. 8.2. Сборочный универсальный манипулятор, работающий в цилиндрической системе координат, для установки деталей
диняемых деталей простые, надежные (наработка на отказ до 10 тыс. ч), долговечные и дешевые манипуляторы. Манипуляторы обычно используются тогда, когда необходимая работа совершается в пределах объема, равного 20 дм3. Это важно, поскольку манипулятор примерно в 20 раз дешевле промышленного робота.
Сборочный универсальный манипулятор (рис. 8.2) содержит захватное устройство 2, регулируемую по длине руку 3, колпачок б с золотником 5 и копирным пазом для поворота и подъема руки 3, привод в виде пневмоцилиндра 7, размещенного на основании 9. При подаче сжатого воздуха под давлением 0,4...0,63 МПа через штуцер 8 в нижнюю полость пневмоцилиндра 7, поршень вместе со штоком, а следовательно, и рукой 3, снабженной захватным устройством 2, занимает крайнее верхнее положение. При соединении трубопровода 4 с полостью разрежения вакуумного насоса из питателя лотка или магазина захватным устройством притягивается вакуумом или электромагнитной силой
231
деталь. При подаче сжатого воздуха через штуцер 7 в штоковую полость пневмоцилиндра 1 и соединении нижней полости с атмосферой поршень со штоком, а следовательно, и рука 3 опускаются, происходит ее поворот на 90°, поскольку паз колпачка 6 имеет наклон 0-40°, и она движется вниз для установки очередной детали в собираемое изделие. Далее вновь подается давление в штоковую полость пневмоцилиндра 7, и захватное устройство
возвращается в исходное положение.
Манипулятор, представленный на
Рис. 8.3. Манипулятор, работающий в прямоугольной системе координат, для установки деталей
рис. 8.3, работает в прямоугольной (декартовой) системе, а потому может обеспечивать перемещения деталей по горизонтали путем выдвижения руки 3 - до 300 мм и по вертикали для соединения деталей - до 75 мм от привода 2 и в месте захвата детали до 50 мм. Сила захвата 7 - 520 Н. Продолжительность цикла - 5 с/шт. Точность позиционирования 0,1 мм. Уровень шума не более 65 дБ, габариты 600x950x1110 мм. Масса манипулятора 112 кг.
Большую производительность и точность позиционирования проще достичь при меньших перемещениях манипулятора в одном направлении.
Манипулятор (рис. 8.4, а) обеспечивает перемещение максимально на 40 мм детали массой до 2 кг и ее установку силой 100 Н. Возможно наклонное выполнение манипулятора (рис. 8.4, б). Точность позиционирования ±0,03 мм. Продолжительность цикла 1,2 с/шт. Габаритные размеры 160x250x570 мм, масса 32 кг. Горизонтальное исполнение манипулятора обеспечива-
ет перемещение детали максимальной массой в 1 кг на длину до 30 мм с точностью
позиционирования ±0,03 мм (рис. 8.4, в). Продолжительность цикла 1,7 с; габаритные размеры 160x600x480 мм; масса 32 кг.
Все манипуляторы типовой конструкции снабжены пневматическими приводами. Экономически целесообразно модульное построение конструкции манипулятора. Манипуляторы могут быть применены во многих случаях при серийной сборке изделий.
Решение проблемы автоматизации сборки изделий в серийном производстве возможно на базе создания универсальной типовой технологической оснастки, обеспечивающей высокую производительность автоматических сборочных систем при минимальных затратах на их создание. Это возможно, если сборочные устройства и транспортные средства имеют простое конструктивное исполнение и не требуют высокой точности изготовления. Адаптивное управление, при котором получение информации осуществляется непосредственно от соединяемых деталей собираемого из-
делия, исключает затраты средств на создание и эксплуатацию программных устройств, не требует затрат времени на переналадку оборудования.
232
Рис. 8.4. Манипуляторы модульной конструкции: а - вертикального исполнения; б - наклонного; в - горизонтального
Для разработки таких универсальных автоматических сборочных систем потребовалось создать технологию сборки, во многом отличную от обычной технологии сборки изделий, осуществляемой на специальных сборочных машинах1. Сначала нужно подать к месту сборки базовую деталь собираемого изделия и устанавливаемую деталь. Затем необходимо выверить с определенной точностью их относительное положение; если нужно, закрепить базовую деталь и установить присоединяемую деталь изделия. Последовательность сборки любого изделия определяется последовательностью сборки наиболее сложного из них.
Последовательность работы таких сборочных устройств показана на рис. 8.5, I-VIII. Для установки каждой присоединяемой детали по поверхности вращения с гарантированным зазором нужен сборочный модуль. Каждый такой модуль включает автоматическое сборочное устройство.
На рис. 8.6 показано универсальное адаптивное сборочное устройство. Внутри закрепленного на стойке 1 модуля 2 размещен набор телескопических подпружиненных оправок 3 с центром 4. Каждая цилиндрическая оправка 3 на торце имеет заходную фаску, обеспечивающую центрирование деталей собираемого изделия (см. рис. 8.5, I, II). При создании рабочего давления в цилиндре модуля 2 набор оправок 3 и центр 4 перемещаются до базовой детали б, охватывая по наружному и внутреннему контуру ранее установленную с помощью отсекателей 5 загрузочного лотка 8 (см. рис. 8.6) устанавливаемую деталь 7 (см. рис. 8.5, II). При этом часть оправок 3 и центр 4 центрируют базовую деталь б и закрепляют ее (см. рис. 8.5, III)-, ос-
1 Гусев ЛА. Устройство для ориентации и сборки деталей в изделие. Авт. свид. № 465863, а также патенты США № 3906607, Англии № 1467279, Франции № 7440606, Японии № 980893.
233
3	4-	5	3	4	5 J	3
Рис. 8.5. Последовательность работы универсальных автоматических сборочных устройств:
I - IV- установка присоединяемых деталей в отверстие базовой детали; V - VIII - установка присоединяемых деталей на базовую
Рис. 8.6. Универсальное адаптивное устройство для сборки изделий
234
тальные оправки опираются на торец и центрируют устанавливаемую деталь 7. После того, как прекратится движение всех оправок, начинается вновь движение тех из них, которые ранее опирались на торец и центрировали деталь 7 (см. рис. 8.5, IV). Движение оправок 3 будет продолжаться до тех пор, пока не будет закончена сборка соединения. Аналогичным образом осуществляется установка присоединяемых деталей 7 в корпусные и другие базовые детали 6 (см. рис. 8.5, V-VIII). С помощью ряда таких автоматических сборочных устройств возможна сборка различных изделий, содержащих большое число деталей. Устройства такого типа могут быть использованы при создании ГПС различного функционального назначения с транспортными устройствами периодического движения - поворотными столами и транспортерами (ленточного типа, цепными и штанговыми). Производительность ГПС до 1800 шт./ч.
Для запрессовки деталей требуется значительная сила (многие килоньютоны), создание которой возможно только с использованием технологического оборудования - прессов. Скорость запрессовки от 0,002 до 0,1 м/с.
Конструкция универсального адаптивного сборочного устройства и последовательность его работы показаны на рис. 8.7. Устройство пригодно для использования в ГПС с любым транспортным средством замкнутого типа периодического движения и роторного типа, обеспечивает автоматическую сборку любых изделий из деталей, соединяемых по поверхностям вращения с гарантированным натягом или зазором, имеющих различную конфигурацию и размеры сопрягаемых, а также других поверхностей соединяемых деталей.
Рис. 8.7. Автоматическое адаптивное сборочное устройство и последовательность установки деталей в изделие
Для загрузки и относительной ориентации устанавливаемых в изделия деталей служит приспособление 2. Каждое приспособление 2 выполнено в виде корпуса 2 с размещенным в нем набором независимо друг от друга перемещаемых подпружиненных цилиндрических оправок 5 с заходными конусами с уклоном 10-15°. Возможно использование в приспособлении для подъема оправок вместо пружин 7 сжатого воздуха.
235
При перемещении установленного на транспортном устройстве приспособления 2 (см. рис. 8.7,I-IV) к наклонному лотку 8 (см. рис. 8.7, II. IV) с деталями-шестернями 10 набор подпружиненных оправок 5, размещенных в корпусе 7, утапливается нижней частью этого лотка. При дальнейшем движении транспортного устройства с приспособлениями 2 некоторые из оправок 5 под действием ранее сжатых пружин 7 войдут через щель лотка 8 в отверстие сцентрированной отсекателями 77 и поджимаемой сверху грузом 9 детали 70, например шестерни. Эта деталь 70 вместе с приспособлением 2, преодолевая сопротивление подпружиненных отсекателей 77 и груза 9. перемещается дальше. Ее базирование по торцу 4 опорной пластины 6 втулки 3 приспособления 2 осуществляется под действием силы тяжести детали шестерни 70, а для легких деталей - еще и сил магнетизма или разрежения. Деталь 70 центрируется конусной частью одной из оправок. В таком положении деталь 70 поступает к лотку 13 с подшипниками 72 (см. рис. 8.7, 7/7). При их загрузке базирование подшипников 72 осуществляют только те оправки 5, которые ранее прошли в отверстие детали-шестерни 70. В остальном последовательность работы приспособления 2 и лотка 13 аналогична совершаемой при загрузке и центрировании детали-шестерни 70. Лоток 13 расположен выше лотка 8 с целью обеспечения свободного продвижения под ним самого высокого из собираемых изделий. По окончании установки подшипника 72 одна из оправок 5, которая ранее прошла в отверстие детали 70, сцентрирует подшипник 72 и выверит его положение относительно оси посадочного отверстия детали-шестерни 70. В таком положении соединяемые детали вместе с приспособлением 2 поступают под пуансон пресса, где подшипник 72 запрессовывается в деталь-шестерню 70.
Далее, если необходимо, в собираемое изделие устанавливаются и другие детали. Переналадка на сборку последующих изделий не требуется, поскольку информация поступает непосредственно от самих соединяемых деталей. Точность положения деталей зависит только от их качества и точности выполнения оправок приспособления. Транспортные устройства и оборудование имеют пониженную точность и повышенную надежность, поэтому затраты на их изготовление минимальны. Такие универсальные самопереналаживающиеся устройства, впервые разработанные в нашей стране в СТАНКИНе, использованы НПО НИИавтопромом при создании действующей на КАМАЗе автоматической сборочной линии и акционерным обществом «Сортомат» (венгеро-австрийско-швейцарско-германское) при монтаже автоматической линии сборки для фирмы Видикон, а также при монтаже автоматических линий по запрессовке седел клапанов и втулок направляющих в головки блоков цилиндров фирмой Краузе и Ко (Австрия).
Повышение производительности гибких сборочных систем посредством концентрации рабочих переходов, их параллельного выполнения и сокращения затрат времени на транспортирование собираемых изделий в серийном производстве возможно путем применения универсальной сборочной машины типа «сборочный центр». С ее помощью можно изготовлять ответственные подшипниковые узлы зубчатых передач, стаканы редукторов и дифференциалов автомобилей и тракторов, опорные ролики, катки эскалаторов метро, крышки с втулками шестеренных масляных насосов.
236
Универсальный сборочный центр (рис. 8.8) содержит гидроцилиндры 1 и 17 со штоками 2 и 14 и поворотные диски 3, в гнездах которых размещены комплекты сменных насадок 4. Каждая насадка удерживается в диске подпружиненными элементами 8, а при холостом ходе - ограниченной быстросъемной крышкой 7. Предназначенные для запрессовки кольца подшипников 77, втулки или другие устанавливаемые детали заранее подаются в поворотные диски из магазинов и лотков 6 и удерживаются в диске 3 подпружиненными элементами 9. Детали 77 загружаются в свободные гнезда поворотного диска 3 сборочного центра во время запрессовки с помощью укрепленных на торце диска 3 кулачков 10 и рычагов 12 с ползушками 13. В другой диск - стол детали 77 поступают из магазинов 18.
12
Рис. 8.8. Универсальный сборочный центр
Базовая деталь 5 (корпус, стакан или крышка) захватывается с транспортера манипулятором и устанавливается на подпружиненные базирующие опоры 75 соответствующей позиции поворотного стола сборочного центра, где в гнезде находится требуемого размера кольцо подшипника 77 или какая-либо другая устанавливаемая деталь. Необходимый для установки данной детали 5 поворот стола совершается по результатам измерения с помощью реостата и ползушки перемещения подвижной губки захватного устройства манипулятора. После установки базовой детали 5 масло подается в рабочую полость гидроцилиндра 7, а затем - гидроцилиндра 77. Штоки этих гидроцилиндров при рабочем движении захватывают из поворотных дисков насадки 4 с кольцами подшипников 77. При этом один из
237
штоков входит в отверстие другого штока и базируется по его внутренней поверхности благодаря сферическому шарниру 16. Точность относительного положения соединяемых деталей 77 и 5 зависит от их точности, точности изготовления насадок 4 и штоков 2 и 77. Поэтому запрессовка колец подшипников не вызывает технических затруднений.
При использовании данного сборочного центра основное технологическое время невелико, к тому же обеспечивается одновременная установка нескольких деталей, что существенно сокращает время сборки. Переналадка (смена насадок, изменение размеров магазинов и лотков сборочной машины) может быть проведена в процессе работы. Это обеспечивает экономичную автоматизированную сборку изделий в условиях серийного производства. Большой экономический эффект может быть обеспечен не только автоматизацией процесса сборки изделий, но и автоматической переналадкой оборудования на производство других, нередко неродственных изделий.
На предприятии «Микроза» в г. Лейпциге (Германия) действует спроектированная и изготовленная на станкостроительном комбинате в г. Берлине автоматическая гибкая станочная система для изготовления деталей и сборки роторов асинхронных трехфазных электродвигателей с центрами высотой от 50 до 63 мм.
В этой гибкой автоматизированной системе сборка роторов производится на переналаживаемой специализированной автоматической сборочной машине (рис. 8.9, а}. На этой машине валы роторов (рис. 8.9, б) запрессовываются в предварительно обработанные роторные пакеты, которые для облегчения процесса соединения деталей перед сборкой нагреваются индуктором до 400 - 450°С.
Автоматизация соединения деталей пакета 7 и 2 роторов вызывает значительные трудности из-за сложности посадки обмоток на ступени валов 2. Кроме того, валы 2 роторов выполняются ступенчатыми, а это может привести к заклиниванию пакета 7 на валу 2 при сборке ротора. Нет возможности также использовать в качестве технологических баз при сборке ротора наружную или какую-либо другую поверхность пакета 7 без ее дополнительной обработки.
От автоматической сборочной машины требуется высокая надежность и производительность, поэтому необходимо изыскать такой путь решения задачи - автоматического соединения разных типоразмеров роторов электродвигателей, при котором эти требования были бы выполнены с минимальными затратами.
В этой автоматической сборочной машине сложная задача достижения точности совпадения осей соединяемых посадочных поверхностей 14Н7 (17Н7 или 20Н7) пакета 7 ротора и вала 2, выполненного по посадке S7, производится посредством сменного направляющего конусного наконечника 77, осуществляющего относительную выверку соединяемых деталей (см. рис. 8.9, в, I-IV). Благодаря применению этого простого по исполнению метода регулировки были созданы необходимые предпосылки для автоматизации сборки различных роторов. Отверстия в каждом из конусных наконечников 77 изготовляют в соответствии с размерами ступеней вала 2, а наружную цилиндрическую поверхность наконечника 77 - по Л7, т.е. его диаметр несколько меньше, чем диаметр отверстия пакета 7 ротора.
238
Рис. 8.9. Переналаживаемая автоматическая сборочная машина (а), собираемый объект (б) и последовательность (I-IV) работы машины (в)
a
Валы 2 поступают из гравитационного загрузочно-транспортного лотка-ската 12 (см. рис. 8.9, а, в. 7) в приемную часть одной из четырех подвижных кареток 7, в цилиндрическом отверстии которой заранее установлен конусный наконечник 11. Помимо каретки 4 в каждое из приспособлений сборочного устройства 14 входят также упор для пакета 1 ротора и
239
приемная подпружиненная призма 3 для его предварительного базирования. Как только на первую (7) позицию сборочной машины поступают в базирующие устройства - призму 3 и каретку 4 соединяемые детали 7 и 2, все четыре приспособления сборочного устройства 14 (см. рис. 8.9, я), укрепленные на периодически вращающейся консоли 73, поворачиваются на 90° и затем фиксируются (см. рис. 8.9, в, II). Во второй (77) сборочной позиции вначале обеспечивается перемещение каретки 4 пуансоном 7 от гидроцилиндра сборочной машины до пакета 7 ротора и производится базирование этого пакета по выточке посредством наружной цилиндрической поверхности по двойной опорной базе каретки 4 и ее торцу - установочной базе. В таком положении каретка 4 вместе с пакетом 7 ротора (который перемещается по исполнительным поверхностям) призма 3 передвигается до упора сборочного устройства 14. Осуществляется базирование пакета 7 ротора по второй выточке также по двойной опорной базе, но уже по цилиндрической поверхности упора и его торцу - опорной базе. Следовательно, производится перебазирование пакета 7 ротора, в результате чего точность положения пакета 7 будет зависеть от положения и точности изготовления цилиндрических поверхностей каретки 4 и упора сборочного устройства 14. служащего также опорной базой и определяющего точность осевого положения (размер с отклонениями ±0,25 мм) пакета 7 ротора. После окончания установки пакета 7 начинается движение пуансона 6. который перемещает вал 2 до тех пор, пока на его посадочную ступень не будет надет конический наконечник 77, первоначально удерживаемый тремя подпружиненными фиксаторами 75. При дальнейшем движении наконечник 77 вместе с валом 2, преодолевая сопротивление фиксаторов 75, входит в посадочное отверстие нагретого пакета 7 ротора, и окончательно выверяет относительное положение соединяемых деталей. Затем вал 2 запрессовывается пуансоном 6 в пакет 7 на заданную величину, регулируемую подвижным упором 5. При этом конический наконечник 77 входит в отверстие упора сборочного устройства 14 и фиксируется четырьмя подпружиненными фиксаторами 10.
Осуществляется поворот на 90°. На третьей позиции сборочной машины упор сборочного устройства 14 вместе с наконечником 77 отходит от собранного ротора, и возвращаются в исходное положение пуансон 6 и каретка 4 (см. рис. 8.9, в, III). Собранный ротор поступает на транспортный лоток 16 (см. рис. 8.9, а), наклон которого изменяется посредством гидроцилиндра 18 и тем самым обеспечивает качение ротора с заданной скоростью с позиции 777 к охлаждающей установке.
После поворота на четвертую позицию каретка 4 (см. рис. 8.9, в, IV) и упор сборочного устройства вновь перемещаются вперед в крайние передние положения, а пуансон 20 возвращает конический наконечник 77 из внутренней полости упора в цилиндрическое отверстие каретки 4 (см. рис. 8.9, в, IV). Возвращаются в исходные положения каретка 4 и пуансон 20.
Валы 2 загружаются в свободную каретку 4 в процессе поворота от IV до 7 позиции автоматической сборочной системы. Все устройства этой машины размещены на сварной станине, состоящей из основания 22 (см. рис. 8.9, а) коробчатой формы и двух стоек 27, стягиваемых шестью осями 19. Все приводы устройств сборочной машины работают от компактного гидроагрегата модульной конструкции, удобного для обслуживания. Машина снабжена автоматической системой смазки.
240
Электрооборудование состоит из распределительного шкафа, подсоединительной коробки со штекерными разъемами и пульта 17 управления. Распределительный шкаф расположен рядом со сборочной машиной, а подсоединительная коробка и пульт 17 управления - на станине 22 сборочной машины.
Переналадка автоматической сборочной машины обеспечивается путем замены конусных наконечников, некоторых несущественных изменений в каретке 4 для размещения валов 2 разных типоразмеров, регулировкой высоты подпружиненной призмы 3 по высоте и величины перемещения подвижного упора 5 для достижения требуемого вылета вала 2 из собранного ротора.
Основное достоинство этой машины - легко и просто достигается точность совпадения осей посадочных поверхностей соединяемых деталей. По существу, не нужно выполнять сложных точностных расчетов составляющих звеньев технологической системы при проектировании сборочной машины, а при ее изготовлении не требуется высокой точности большинства звеньев технологической системы.
Обычно для автоматического соединения деталей требуется высокая точность простого поступательного движения, а реже - еще и вращательного или винтового движения.
Главная причина применения промышленного робота (ПР) - сложное переменное транспортное движение, не требующее высокой кинематической точности. Однако из-за того, что в ПР сборочные и транспортные функции совмещены, все его модули должны изготовляться с высокой точностью.
Переменная траектория транспортирования требуется и тогда, когда готовые изделия укладывают в многорядную тару или присоединяемые детали берут из разных мест при подаче их из кассет-магазинов и с движущегося конвейера. Таковы основные возможные случаи применения сборочных ПР. Для упрощения ПР целесообразно сборочные и транспортные функции разделить между транспортным устройством и сборочным роботом с малым числом степеней подвижности.
Сборочный робот эффективен и рентабелен в том случае, когда обеспечивается высвобождение 3...5 рабочих, время простоя робота не превышает 20%, собираемые изделия средней сложности содержат 4... 10 деталей, а такт работы ПР составляет 5... 15 с. Но поскольку сборочные роботы в настоящее время применяются, как правило, для сборки изделий одного типа, то современный ПР уступает сборочному автомату по окупаемости в 1,5 раза, по производительности - в 3 раза (из-за сложной траектории движения и низкой скорости), его себестоимость в 3 раза выше, а занимаемая площадь в 2 раза больше.
Выбор необходимого для сборки ПР определяется траекторией и характером требуемого движения устанавливаемой детали (от этого зависит число степеней подвижности, набор и направления требуемых движений, габаритные размеры зоны обслуживания ПР), точностью его позиционирования или повторяемостью, грузоподъемностью, скоростью и ускорением движения подвижных звеньев ПР, стоимостью его изготовления и эксплуатации и др.
Кинематика ПР зависит от необходимого числа движений: сборочного - для соединения деталей, их захвата и подъема, транспортного движения - поступательного прямолинейного или вращательного. Точность ПР и
241
Рис. 8.10. Промышленный робот модульной конструкции: а - ПР; 6 - модули ПР
его программирование проще обеспечивать при прямолинейных движениях звеньев сборочного робота, работающего в прямоугольной (декартовой) системе координат. Минимальное число движений ПР 3...4 и движения раскрытия и закрытия захватного устройства. Линейные модули ПР являются более дешевыми и гибкими. Из модулей можно скомпоновать ряд ПР (рис. 8.10), в том числе портального типа, различного функционального назначения. Таковы ПР, используемые для серийной сборки мелких изделий в гибких производственных системах.
Аналогичные ПР, работающие в прямоугольной системе координат, используются для сборки средних и крупных изделий (рис. 8.11). Эти ПР обычно имеют 3...5 степеней подвижности. Скорость перемещения по каждому из направлений 0,6... 1,15 м/с. Ускорение 2,5...8 мс-2. Величина перемещения по направлению X от 630 до 2650 мм, по К - 400... 1000 мм и по вертикали - 300...630 мм. Грузоподъемность 6,5...25 кг. Повторяемость положения захватного устройства +0,25...+0,08 мм. Точность перемещения вдоль оси 0,02 мм. Несмотря на высокую точность ПР и большую грузоподъемность, его стоимость сравнительно невысока; к тому же достаточно простое программирование. Для обеспечения относительной ориентации деталей такие ПР часто снабжают приводами вращательного, а иногда и качательного движений захватного устройства (рис. 8.11, г, д), последние могут занимать как горизонтальное, так и вертикальное положение. Угол поворота 7?1 и R3 захватного устройства в пределах +360°, его наклон R2 +196°. Точность каждых из угловых движений 0,01°, повторяемость +0,025 мм, максимальная скорость 2,72 рад/с, ускорение +27,2 рад/с2.
С целью повышения производительности ведут одновременную установку нескольких присоединяемых деталей (рис. 8.11, е, з), используя либо несколько ПР при сборке крупных и средних изделий, либо несколько сборочных головок при изготовлении мелких изделий. В последнем случае длина перемещений меньше: по X -ПО...600 мм, по У - 250...600 мм, по высоте - около 25 мм. Число головок 6...8; максимальная скорость 0,6... 1 м/с; грузоподъемность вместе со сборочной головкой от 5 до 15 кг. Точность позиционирования +0,025 мм. Производительность 1500...2000 различных операций в час.
Более низкая производительность, чем при параллельной сборке, но более высокая, чем при последовательной, может быть достигнута при последовательно-параллельном способе установки деталей характерным для работы сборочной машины, представленной на рис. 8.11, ж. Она оснащена двумя-пятью ПР грузоподъемностью около 5 кг, размещенными на каретках поперечных траверс. Рабочий объем в пределах 400x400x1010 мм. Большие перемещения и как следствие этого низкая точность позициони-
242
Рис. 8.11. Промышленные роботы, работающие в прямоугольной системе координат
рования компенсируются применением адаптивного управления положением присоединяемых деталей.
Сборочные роботы, работающие в цилиндрической системе координат, снабжены поворотной колонной (рис. 8.12), и в основном имеют те же параметры. Эти роботы совершают поворот в пределах 270° с угловой скоростью 120... 150%. Наличие большого числа массивных подвижных частей ПР снижает его точность: повторяемость ±0,075...±0,100 мм при грузоподъемности 10... 16 кг. Эти роботы целесообразно использовать в круговом пространстве - в составе сборочных комплексов.
Многочисленные сборочные роботы, работающие по схеме ПР «Ска-ра» (рис. 8.13), имеют два или три плеча. Их основное назначение - уста-
243
Рис. 8.12. Промышленный робот, работающий в цилиндрической системе координат
новка присоединяемых деталей сверху на базовые детали с плоской поверхностью, поэтому ход по вертикали невелик, обычно 25...50 мм, число степеней подвижности 3-4. Программирование - только по двум горизонтальным координатам. Грузоподъемность от 1 до 10 кг; диаметр обслуживаемой рабочей зоны от 360 до 1600 мм; угловая скорость первого плеча около 180 град/с, второго -180...230 град/с; линейная скорость второго плеча до 9 м/с; скорость движения захватного устройства 0,3...0,75 м/с; затраты времени на один цикл 2,5... 10 с; точность позиционирования +0,025...+0,050 мм.
Для создания необходимой осевой силы при установке присоединяемых деталей плечи ПР выполняют подвижными в вертикальной плоскости, и за счет их массы выполня
ется сборка (см. рис. 8.13 ,г). Затраты времени иногда достигают всего 1 с.
Рабочий инструмент: захватное устройство (см. рис. 8.13, а) для установки деталей, стационарный гайковерт (рис. 8.13, б) или сменный
Рис. 8.13. Промышленные роботы для сборки:
а - с захватным устройством; б - со встроенными гайковертами; в - со сменными гайковертами; г - с револьверной головкой
244
(рис. 8.13, в). Время замены гайковерта сравнительно велико. Для снижения затрат времени до 1...2 с применяют револьверные головки с мелким рабочим инструментом (рис. 8.13, д).
При последовательной установке большого числа деталей в собираемые изделия в серийном производстве и массовом с большим тактом выпуска требуются универсальные ПР (рис. 8.14, а), имеющие 5...6 степеней подвижности для совершения сложных транспортных движений грузоподъемностью около 0,9... 10 кг, длину качающихся плеч 203...660 мм. Линейная скорость 0,5...1 м/с, угловая скорость 100...500%. Точность позиционирования +0,05... +0,2 мм.
Универсальные ПР типа Кика модульной конструкции также имеют 6 степеней подвижности, грузоподъемность 8 кг, диаметр вытянутых плеч 1,81 м, скорость движения соответственно движения захватного устройства 140 и 270%; точность позиционирования +0,1 мм. ПР универсального типа фирмы Рейс имеют до 6 степеней подвижности, большую грузоподъемность - 15 кг, а также большую зону обслуживания - до 3 м и ход до 1,2 м. Соответственно скорости движения захватного устройства - 180% и 0,5 м/с. Точность позиционирования +0,1 мм.
Универсальные ПР оригинальной конструкции портального, типа (рис. 8,14, б) имеют 6 степеней подвижности, грузоподъемность до 3 кг. Портал и каретка на нем имеют поступательное перемещение в пределах 0,8 м, а захватное устройство - перемещение по вертикали на 0,3 м со
скоростью 1 м/с. Сборочная головка, ется таким образом, что подвижные вращающиеся части имеют центр тяжести вблизи центра вращения, что позволяет уменьшить моменты инерции и повысить точность позиционирования. Незначительные инерционные нагрузки позволяют увеличить ускорения примерно в 1,5 раза, и сократить тем самым продолжительность сборки почти на 40%. Максимальная скорость вращательных движе-
размещенная на каретке, располага-
а
Рис. 8.14. Универсальные промышленные роботы: а - «Пума», б - «2000»
245
ний до 5 м/с; точность позиционирования +0,1 мм. Технические характеристики ПР позволяют эффективно его применять на сборке изделий малых и средних размеров. Его можно использовать с системой технического зрения, которая позволяет определять положение деталей.
Осуществляя выбор ПР, необходимо учитывать, что в разных точках рабочей зоны ПР обладают различной податливостью и могут обеспечивать разную по величине сборочную силу. Поэтому при выполнении работ, требующих значительных сборочных усилий, применяют специальное технологическое оборудование - прессы и другие технические средства.
ПР можно использовать в составе сбо-
рочной ячейки или комплекса для последовательной установки присоединяемых деталей в собираемые изделия (рис. 8.15, а). Минимальное число устанавливаемых деталей j = 2, минимальное число позиций не менее одной и минимальное число ПР = 1.
Обеспечивая одновременную работу ря-
Рис. 8.15. Схемы сборочных ячеек и гибких комплексов с последовательной (а), параллельно-последовательной (б) и параллельной (в) установкой присоединяемых деталей:
ПР - промышленный робот; Тр - транспорт;
Z, - загрузочное устройство; М/ - манипулятор
да инструментов при установке присоединяемых деталей, можно сократить цикловое время сборки изделий (рис. 8.15, б). Минимальные показатели для ПР будут такими же. Если выполнять работу манипуляторами (М), то минимальное их число должно превышать число j устанавливаемых деталей на единицу (т.е. М =j + 1), так как необходима также выгрузка готового изделия.
При параллельном способе сборки изделий, содержащих не менее двух деталей, на стационарном месте потребуется не менее двух ПР (рис. 8,15, в). При сборке манипуляторами потребуется не менее чем M=j+ 1.
При многопозиционном процессе (рис. 8.16, а), осуществляемом последовательным способом, когда минимальное число устанавливаемых деталей j в изделии не менее 2, число позиций должно быть не менее 2 при минимально одном ПР, обслуживающем эти позиции. Цикл сборки изделий будет длительным. Возможны три варианта сборки изделий. При параллельно-последовательной сборке изделий (рис. 8.16, б) на нескольких позициях цикл будет короче. Другие показатели, характеризующие собираемое изделие и необходимое оборудование, будут такими же.
Показатели параллельного способа сборки при многопозиционном процессе изготовления изделий (рис. 8.16, в) будут зависеть от числа соединяемых деталей (не менее 2): минимальное число позиций и ПР должно быть также не менее 2. Возможны три варианта сборки изделий. Длительность сборки изделия будет наиболее короткой.
246
ПР
Рис. 8.16. Схемы комплексов при многопозиционном изготовлении изделий способами: а — последовательным; б — параллельно-последовательным; в - параллельным;
ПР - промышленный робот; Тр - транспорт; z, - загрузочное устройство; М, - манипулятор
Проведенный анализ необходим для предварительной оценки при выборе варианта сборки изделий. Необходимо учитывать и возможность применения универсального инструмента для выполнения работ последовательным и параллельно-последовательным способами, а также возмож
247
ность замены рабочего инструмента и захватных устройств с применением револьверной головки (рис. 8.13, Э) или магазина сменных инструментов (см. рис. 8.13, в).
Для окончательного выбора варианта сборки изделий нужен тщательный расчет, учитывающий и допустимые затраты времени на сборку каждого изделия, и его конструкцию, и конечно, потребное число манипуляторов и ПР, транспортных средств и др.
8.4.	Выбор оптимальной структуры и рациональной компоновки ГПС для сборки изделий
Структура и компоновка ГПС зависят от требуемой производительности технологического процесса, конструкции и заданного качества изделий, а также от продолжительности установки отдельных деталей в собираемые объекты. Как уже было сказано, собирать изделия можно последовательным, параллельно-последовательным и параллельным способами. Продолжительность сборки изделия зависит от способа.
При последовательном способе установки деталей оперативное время будет наибольшим, а при параллельном - наименьшим, так как все переходы, связанные со сборкой изделий, будут совершаться одновременно. В общем случае:
'on = XWaX/y + /B у=1
(8.1)
где j - номер детали по порядку; к - число соединяемых деталей изделия; ко - число деталей, установка которых совмещена по времени с установкой других деталей изделия; tj - затраты времени на установку j-й детали в изделие; /в - несовмещенное время, затрачиваемое на выполнение вспомогательных переходов.
Время tj зависит от режимов сборочного процесса, которые рассчитывают, исходя из обеспечения качества изделий и условий сборки. Нередко минимальные затраты времени на установку деталей в изделия ограничиваются быстродействием (инерционностью) привода.
Установку присоединяемых деталей часто вынуждены осуществлять с разных сторон базовой детали, при этом исполнительным сборочным устройствам следует придать определенные положения.
Выбор горизонтального, вертикального и наклонного положений исполнительных устройств определяется характером посадок входящих в изделие соединений, числом направлений и характером необходимого для сборки движения.
Другой путь сокращения оперативного времени - это частичное или полное совмещение вспомогательного времени:
в
V- V»
= 'с+	+	+
7=0	/=0
(8.2)
248
где /с - максимальные затраты времени на съем готового изделия; /Т7 - максимальные затраты времени на транспортирование собираемого изделия с одной сборочной позиции на другую; w, V - число соответственно рабочих позиций и рабочих инструментов; /и/ - максимальные затраты времени на перемещение и замену одного рабочего инструмента другим; v - число позиций, на которых осуществляется кантование собираемых изделий; vv0, Ко, Vo - число позиций (инструментов) из числа одновременно действующих, время работы которых совмещено с работой лимитирующей позиции или инструмента; I - член уравнения, характеризующий замкнутость транспортного устройства; t - затраты времени на кантование собираемого изделия.
Затраты вспомогательного времени на съем готового изделия не следует включать в уравнение (8.2), если эти затраты совмещены по времени с установкой деталей. Для этого сборочная машина обязательно должна быть спроектирована многопозиционной и с минимальным числом позиций для снижения ее себестоимости.
Время транспортирования собираемого изделия может как входить, так и не входить в состав вспомогательного времени. Это зависит от того, осуществляется ли перемещение собираемого изделия или нет (стационарная сборка), а если осуществляется, то каким образом. Очевидно, что при стационарной сборке затраты времени на транспортирование собираемого изделия будут отсутствовать. При транспортировании собираемых изделий различают два способа: периодический и непрерывный.
Первый способ можно осуществить, если использовать поворотные столы периодического вращения, которые целесообразно применять для сборки изделий небольших и средних размеров, содержащих от двух до пяти (реже - семь) деталей. Число позиций обычно не превышает восьми. Время поворота стола от одной позиции к другой составляет tTj = 0,9...6 с. Ограничения, связанные с дальнейшим сокращением времени поворота стола от одной позиции к другой и увеличением числа позиций, вызваны возрастанием инерционной нагрузки, которая изменяется прямо пропорционально квадрату радиуса поворотного стола и силе тяжести подвижных частей, собираемых изделий и приспособлений, используемых для их базирования. С увеличением инерционных сил сокращается срок службы стола. Кроме того, снижается точность позиционирования, которая при обычных условиях эксплуатации стола составляет +0,050...+0,025 мм. Обслуживать сборочную систему в процессе эксплуатации должен наладчик, постоянно наблюдающий за ходом технологического процесса, что увеличивает работоспособность системы на 4,5...8%. Это - значительное увеличение, если учесть, что для поворотных столов период работоспособности составляет 56,7...96,1% общего времени работы (в среднем - около 80,7%). Среднее время работы системы до первого отказа - около 3,88 мин; среднее время на устранение отказа 0,83 мин.
Для транспортирования и сборки изделий значительной длины целесообразно применять барабаны, имеющие такие же показатели по производительности и точности. Кроме того, возможно использование цепных транспортеров, транспортеров с применением в качестве тягового элемента проволоки, а также ленточных и штанговых транспортеров, пригодных для сборки изделий значительных размеров, состоящих из не менее 5... 10 деталей. Обычно число устанавливаемых в изделия деталей не превышает 15,
249
так как в противном случае значительно увеличиваются простои при работе сборочной системы. Работоспособность систем с периодическим движением и фиксацией собираемых изделий составляет 59,7...85% (в среднем 72,2%). Средняя продолжительность работы систем 1,5 минуты, а величина простоев 0,47 минуты.
Увеличение числа позиций ведет к возрастанию инерционных нагрузок, уменьшающих срок службы системы и ее точность. Обычно точность позиционирования спутника составляет ±0,05 мм. Затраты времени для перемещения на шаг, равный 1 м, составляют 12 с, на шаг 0,3 м - 6 с и на шаг 0,15 м - до 2 с. При применении цепных и шаговых транспортных устройств возможен выпуск изделий до 1800 шт./ч. Число наладчиков и операторов-наблюдателей - 2...5. В последнее время для транспортирования собираемых изделий (реже мелких и чаще крупных - автомобилей, тракторов) стали использовать транспортные тележки, обычно с индукционным направлением их движения. Скорость их движения чаще всего невелика: около 0,5 м/с, реже - до 2 м/с, поэтому они применяются для сборки либо крупных объектов, либо мелких, когда на тележке устанавливается несколько собираемых объектов.
Второй способ может быть осуществлен на всех вышеперечисленных транспортных устройствах (кроме транспортных тележек), которые движутся непрерывно. В этом случае время транспортирования принимается на 10...20% больше общих затрат времени, связанных с установкой деталей в изделие. Обычно сборочные системы, обеспечивающие непрерывное движение транспортных устройств, целесообразно применять при заданной теоретической производительности технологического процесса не менее 3600 шт./ч. Коэффициент использования 0,64...0,95 (в среднем 0,84). Средняя продолжительность работы системы 5,39, а величина простоев 0,98 мин. Такая высокая производительность достигается совмещением времени транспортирования и установки деталей в изделие.
Выбор транспортного устройства обусловливается требуемой производительностью технологического процесса, экономическими и техническими соображениями. Последние существенно зависят от числа направлений, по которым необходимо производить монтаж деталей в собираемые изделия. И если установку вынуждены выполнять по нескольким направлениям и не удается обеспечивать доступ с разных направлений к собираемым изделиям, то для сборки приходится применять универсальные роботы (имеющие не менее шести степеней подвижности). Возможно также кантование собираемых изделий, но тогда в составе оперативного времени появятся затраты времени на кантование собираемых изделий.
Все устройства, применяемые для транспортирования собираемых изделий, могут быть использованы для замены рабочих инструментов при этом соблюдаются закономерности, присущие каждому способу. Различие заключается в том, что при применении рабочих инструментов всегда затрачивается некоторое время на их замену, подвод и отвод. Замена и перемещение любого инструмента непосредственно связаны с установкой деталей в изделие, поэтому уравнение (8.1) с учетом зависимости (8.2) для различных структур технологического процесса удобно записать так, как это представлено в таблице, где даны формулы расчета оперативного времени для различных процессов. В таблице приняты обозначения: В°, Г°, К° -движение собираемых изделий соответственно в вертикальной, горизон-
250
Формулы оперативного времени /оп
Процесс	Способ транспортирования	Способ сборки и компоновки ГПС			
		Последовательный	Параллельно-последовательный	Параллельный	
				tTi= const	tTi = var
Однопозиционный	Однопоточный процесс сборки изделий				
	С	к	V	v 7=1	7=0	7=0	v-vo tc+ Ymax^ +/и)+ j=\	0 0< j <k	tc+max(tj +tHj) 0<j<k	—
Многопозиционный	В, В0, Г, г°, к, к0	tc+yt ,+Ьи +Ул+ 7=1	7=0	0 + {yv-l)maxtT. 0< j <w	W--W0	v-v0 'c + X таХУ1 +'и,)+ J/ta + J=1	0 4-(w —w0 — l)maxtyj 0< j <w	tr 4- maxxt: 4- tu {14- maxt- c	\ 7 и7 /	Т/ 0< j<k 0< j <w	tc +max(t. +^+zJ 0< j <w
		к	V	v 7=1	7=0	0 + (w — l)maxtT. 0< j <w	w-w0	v-v0 X max\(j+w+ jx+ j=l	0 4-(w-w0 —l)maxtyi 0< j <w	max\t +tu )+maxL X J	И/ J	Т/ 0< j<k	max(tj + /и. + /J 0< j <w
Многопоточный процесс со сдвигом фаз сборки изделий					
	в, в0, г, г®, к, к0	-Мд -M^ sf 1	(« - «0 )tc + X max\!j + 'и )+ 7=1 v-v0 0<j<w 0	(n-n0)tc+max(t.+tH/) 0< j<k	(и-пп)с +maxt. \	V z V	J 0< j <w
		nH	nH	nH	nH
тальной и наклонной плоскостях, совершаемое посредством замкнутого транспортного устройства; В, Г, К - те же движения при разомкнутых системах; С - стационарная сборка. Знаком « - » отмечены структуры, применение которых невозможно либо нецелесообразно, знаком «+»- наоборот.
Сборочный процесс характеризуется числом потоков и позиций, способами установки деталей и транспортирования собираемых изделий.
Все закономерности, присущие однопоточному процессу и оборудованию, справедливы для многопоточного технологического процесса, который при применении тех же транспортных устройств может обеспечить значительно большую производительность. Это объясняется тем, что уменьшается оперативное время, с увеличением числа п, потоков, работающих параллельно, и еще в Н раз, если имеются потоки, сборка изделий на которых в каждом последующем потоке производится со сдвигом фазы по сравнению с предыдущим потоком. Дальнейшее повышение производительности при сборке изделий ожидается при использовании структур, обеспечивающих «независимую» работу каждой позиции сборочной машины. В этих сборочных системах позиции не связаны между собой жесткой связью, и общим тактом работы. Каждая из них при выполнении сборочного или контрольного перехода может работать со своим тактом выпуска изделий, часто отличным от такта работы других позиций сборочной системы, и их производительность не зависит от времени транспортирования собираемых объектов.
Для сокращения до минимума простоев позиций сборочной системы и обеспечения максимальной ее производительности необходимо достаточное количество устанавливаемых деталей и постоянное пополнение задела собираемых объектов путем непрерывной их подачи. При непрерывном транспортировании изделий и стационарном положении сборочных устройств обеспечить сборку не представляется возможным. Поэтому необходимо предусмотреть на каждой позиции стационарные базирующие устройства для автоматической установки в заданном положении собираемого изделия либо «плавающие» приспособления-спутники для его размещения. Вследствие затрат времени (не менее 1 с) на установку и фиксацию спутника или собираемого изделия (/т/), а также существующих ограничений по быстродействию приводов рабочих инструментов повышение верхнего предела производительности таких сборочных систем маловероятно. Поэтому их производительность не превышает 1200... 1300 изделий в час.
Повышение производительности при сборке изделий возможно только тогда, когда время установки деталей не ограничивается быстродействием привода рабочего инструмента сборочной системы. Поэтому сборочные системы с гибкой (нежесткой) связью между позициями целесообразно применять при сборке крупных изделий из деталей со значительными длинами посадочных поверхностей, а также для изделий, у которых при сборке возможно большое количество брака. Эти системы обеспечивают снижение брака, поскольку точность установки при применении стационарных базирующих устройств для собираемых изделий и «плавающих» приспособлений может быть повышена до ±0,025 мм. Формулы в таблице дают возможность рассчитать оперативное время для различных структур технологических операций и оборудования.
Для выбора системы необходимо знать такт ее работы, который должен обеспечить выполнение годовой программы выпуска изделий, несмот-
252
ря на то, что при сборке возможно появление дефектных изделий из-за отказов сборочных устройств и попадания некондиционных деталей (Q), часть из которых mQ будет вызывать простои средней продолжительности т:
(83)
где FH - номинальный календарный фонд времени работы системы; г) - коэффициент простоев вследствие отказов транспортных, блокировочных и других устройств сборочной системы.
Число дефектных изделий при выполнении годовой программы выпуска
(8.4)
где 5 - общее число причин, вызывающих появление дефектных изделий (неполадки в сборочных устройствах - подача деталей низкого качества на сборку изделий); qt - значение риска.
Учитывая число присоединяемых деталей и направлений, с которых нужно вести их установку, и сопоставляя такт выпуска изделий сборочной системы с затратами оперативного времени Zon можно выбрать одну или несколько структур технологической операции и произвести выбор компоновок исполнительных сборочных и транспортных устройств и системы в целом. В процессе сборки возможно появление изделий с дефектами. Это вызывает необходимость применения на автоматических сборочных системах специальных контрольных и блокировочных устройств, а также механизмов для удаления нескомплектованных деталей. Назначение контрольного устройства, устанавливаемого после последней сборочной позиции, заключается в обнаружении изделий с дефектами и отделении их от
годных.
Контрольные устройства могут быть размещены между сборочными позициями. В их задачу входит обнаружение изделий с дефектами и отключение последующих позиций на период их прохождения.
Решение о выборе компоновки сборочной системы может быть принято окончательно после экономического расчета, показавшего, что себестоимость изделия по одному из вариантов получилась минимальной:
E(FH - тОт)(\ -т]) + CpQ - A/0TQ + £ Х,Сиу (N + Q) j=0
(8.5)
где Б - стоимость станко-минуты работы автоматической сборочной системы (для роторных машин она в 3...5 раз больше, чем для сборочных автоматов с поворотными столами); Ср - себестоимость разборки изделия с дефектами; Мог - стоимость одной у-й дефектной детали; Х7 - коэффициент удорожания детали при повышении ее качества в связи с автоматизацией; СИ7 - затраты по изготовлению однойу-й детали собираемого изделия.
253
к
В уравнении (8.5) слагаемые MorQ и Х/СиуО будут равны нулю, если у=0
изделия с дефектами разбираются, и их детали используются для повторных попыток сборки. Число таких изделий Q, при котором обеспечивается выполнение годового выпуска на данной сборочной системе при минимальной себестоимости изделий, находят либо численным дифференцированием уравнения (8,5), либо построением графиков. В последнем случае по оси абсцисс откладывают принятое значение Q, а по оси ординат - соответствующую ей себестоимость годного изделия (С). По графику легко найти точку, соответствующую минимальной себестоимости изделия и определенному качеству поступающих на сборку деталей. Аналогично определяют минимальную себестоимость и для других выбранных компоновок. Затем выбирают ту из них, при которой обеспечивается наименьшая себестоимость, производят корректировку требований к качеству поступающих на сборку деталей, уточняют места размещения контрольных устройств и затраты на изготовление изделия.
Таким образом, всегда можно выбрать рациональную компоновку автоматизированной сборочной системы с учетом требуемой производительности технологического процесса и минимальной себестоимости изделий и не только выбрать оптимальный вариант сборки изделий, но и выявить тенденции развития структур технологических операций.
Главная проблема роста производительности ГПС - повышение ее надежности и уменьшение затрат времени на переналадку технологического оборудования. В качестве удачного примера решения проблемы можно привести отечественную ГПС для автоматизированной сборки механических узлов бытовых магнитофонов, созданную в Московском конструкторско-технологическом бюро при участии ученых МГТУ «Станкина» [3, 4]. ГПС для многономенклатурной сборки пяти типоразмеров механических узлов магнитофонов предназначена для соединения и закрепления около 20 присоединяемых деталей: стоек, кронштейнов и других компонентов, которые монтируют на базовые детали - шасси, корпуса и рычаги. Такт работы ГПС 2...6 с, т.е. значительно выше, чем линий, обычно работающих с применением роботов. Оборудование ГПС связано ленточным транспортером 8 (рис. 8.17) и обеспечивает выполнение следующих технологических переходов: соединение деталей и закрепление их запрессовкой, развальцовкой, осадкой, а также путем завинчивания. Каждый сборочный модуль работает независимо от других.
В соответствии с технологическим процессом предусмотрены модули: загрузочные 1 для подачи в приспособление трех подшипников и нескольких стоек; контрольные 2 для проверки наличия и положения деталей; специальный 3, исполнительные устройства которого осуществляют установку базовой детали-шасси на ранее установленные в приспособления детали. Модуль 4 обеспечивает подачу заклепок в два отверстия каждого подшипника и их запрессовку, а модуль 5 - развальцовку стоек. Транспортирование собираемых изделий производится с применением палет 7.
Далее производится транспортирование подсобранного комплекта к механизированному рабочему месту 6 для визуального контроля и устранения обнаруженных дефектов.
254
Рис. 8.17. Многономенклатурная гибкая автоматизированная сборочная система
После установки присоединяемых деталей с одной стороны собирае
мое изделие посредством перекладчика кантуется и аналогичным путем производится установка стоек и их закрепление с другой стороны, как бы
ло описано ранее.
Конструкция прессовых и вальцовочных модулей позволяет изменять режимы сборочного процесса - осевую силу и рабочий ход. Помимо общей системы управления эти модули снабжены автономной системой.
Загрузочные модули 1 включают вибро-лотки и вибробункеры с питателями, а также манипуляторы. Их наладка и переналадка осуществляются заменой и регулировкой сменных элементов.
Технологическая оснастка включает палеты для транспортирования сменных приспособлений, необходимых для базирования деталей для всех изделий, собираемых на линии (рис. 8.18). Такая конструкция приспособления с направляющими заходными эле
ментами в отверстиях под детали оказалась единственно возможным вариантом для одновременной установки нескольких деталей. Все другие варианты не могли обеспечить их установку вследствие чрезвычайно малых значений допусков на относительные смещения и повороты соединяемых деталей. Пере
Рис. 8.18. Вальцовочный модуль:
1 - вальцовочная головка; 2 -ось; 3 - рычаг; 4 - приспособление; 5 - палеты; 6 - подъемное устройство; 7 - транспортное устройство
мещение палет между модулями осуществля-
ет транспортное устройство 8 (см. рис. 8.17).
Оно состоит из отдельных секций, включающих конвейер с приводной и натяжной станциями. Обычно длина транспортного устройства 8 составля-
255
ет 15...20 м. Между отдельными модулями предусмотрены накопители для палет, обеспечивающие их независимую работу. Транспортное устройство 8 имеет автономную систему управления, позволяющую осуществлять его пуск, наладку и работу.
Такие автоматизированные гибкие сборочные линии с высоким коэффициентом использования внедряют на ряде радиотехнических заводов страны. Что касается интегральных ГПС, то хотя и были попытки их создания за рубежом, в частности, для изготовления вентилей, они пока не дали положительных результатов вследствие значительной разности в производительности сборочного и механообрабатывающего оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Гусев А.А. Основные принципы построения сборочных гибких производственных систем. - М.: Машиностроение, 1988. - 52 с.
2.	Гусев А.А. Автоматизация сборки зубчатых передач. И Итоги науки и техники: Сер. Технология и оборудование механосборочного производства. - М.: ВИНИТИ, 1990. Т.6, С. 1-153.
3.	Гусев А.А. Прогрессивные методы и средства автоматизации сборки изделий И М., 1990. - 64 с. Машиностроительное производство: Сер. Прогрессивные технологические процессы в машиностроении. Обзор информ. / ВНИИТЭМР. Вып. 1.
4.	Проектирование технологии: Технология автоматизированного машиностроения / И.М. Баранчукова, А.А. Гусев, Ю.Б. Крамаренко и др. / Под ред. Ю.М. Соломенцева -М.: Машиностроение, 1990.-416 с.
Глава 9.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНАСТКА ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
9.1.	Инструментальная система
Гибкая производственная система обеспечивает обработку резанием деталей определенных типоразмеров. Для этого применяют:
режущий и контрольно-измерительный инструмент необходимой номенклатуры и типоразмеров; специальные инструментальные наладки (многоинструментальные блоки), а также сменные инструментальные магазины;
устройства подачи технологической среды, в том числе гидросистему, обеспечивающую подвод СОЖ в зону резания;
транспортные системы доставки инструмента и заготовок к рабочим позициям и обратно, обычно это роботы;
приборы дли приспособления, для наладки типового инструмента и многоинструментальных блоков;
системы диагностики инструментальных систем.
Инструментальное обеспечение ГПС включает также центральный склад для инструмента и заготовок. Основными его задачами являются автоматическое складирование, систематический учет и подача их на транспортные системы. Таким образом, инструментальная и технологическая оснастка обеспечивает рабочий процесс резания в заданной операционной последовательности установленным набором инструментов.
Автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО) является одной из основных систем обеспечения функционирования станочных систем ГПС.
Применение системы АСИО обеспечивает:
автоматическую подачу в ГПС новых комплектов инструментов;
автоматическую загрузку и выгрузку инструментов из магазинов станков при переходе на обработку другой заготовки;
автоматизированный контроль состояния режущего инструмента в процессе его эксплуатации на рабочей позиции;
автоматическую передачу отработавших инструментов на сортировку; хранение инструмента в центральных накопителях.
Решающее значение для проектирования инструментальных систем имеют построение единой системы кодирования инструмента и разработка алгоритма инструментального обслуживания ГПС. Алгоритм регламентирует последовательность подготовки, сборки и доставки инструмента непосредственно на рабочую позицию станка, удаление отработавшего инструмента и его разборку. Алгоритм инструментального обслуживания должен включать тип конструкции инструмента, метод распознавания, определения ресурса режущего инструмента. При этом большое значение для ГПС имеет: степень унификации и стандартизации режущего и вспомогательного инструмента; применение сменных магазинов инструментов, каждый из которых обслуживает одну деталеоперацию; автоматизированная подача из центрального магазина в магазин станка инструмента (для обработки заготовки) и удаление из магазина станка поломанного и изношенного инструмента; индивидуальная подача инструмента из цен
9-42
257
трального магазина станка и индивидуальное удаление инструмента из магазина станка в центральный инструментальный магазин; свободный доступ от нескольких станков к внешнему инструментальному магазину дает возможность подготовить значительно меньшее число инструментальных наладок.
Инструментальная система в ГПС, состоящая из многоцелевых станков с программным управлением, обычно имеет сменные дисковые инструментальные магазины. Последовательность ее работы следующая. Свободный инструментальный магазин по команде ЭВМ устанавливается на выкатной платформе и подается в позицию загрузки. Инструмент магазина предварительно настраивается на приборах и по команде ЭВМ слесаря-инструментальщика с помощью робота устанавливается в определенную позицию магазина. Координаты настройки инструмента передаются в ЧПУ станка. Загруженный инструментальный магазин на выкатной платформе возвращается в зону действия робота, который устанавливает инструментальный магазин на позицию накопителя. Перед обработкой заготовок магазин с отработавшим инструментом перемещается на свободную позицию накопителя, а магазин с настроенным инструментом устанавливается в приемное устройство ГПС. Смена инструментальных магазинов производится по команде ЭВМ.
Инструментальный магазин с отработавшим инструментом размещается на выкатной платформе и подается на позицию выгрузки. Для выгрузки в автоматическом режиме робот перемещает отработавший инструмент из магазина в приспособление для разбраковки. Разукомплектованный инструментальный магазин подается на позицию загрузки. Слесарь-инструментальщик разбирает инструмент, сортирует его по степени пригодности и направляет на восстановление (ремонт, заточка).
При проектировании инструментальной системы исходным является операционный технологический процесс (см. гл. 14).
Конструкция инструмента, применяемого в ГПС, должна удовлетворять следующим основным требованиям (табл. 9.1): рабочая часть инструмента должна иметь повышенные износостойкость и прочность; державка должна иметь высокие жесткость и виброустойчивость; геометрические параметры инструмента должны быть такими, чтобы обеспечивался удовлетворительный отвод стружки из зоны резания (наличие на передней поверхности оптимальных стружколомов и других устройств).
Инструмент должен обеспечивать: высокую точность установки относительно базовых поверхностей обрабатывающей системы; быстросмен-ность установочных элементов инструмента; взаимозаменяемость режущей части инструмента в зависимости от вида обработки (растачивание, сверление, фрезерование, нарезание резьбы и т.п.).
Таким образом, инструмент для ГПС должен иметь ряд конструктивных особенностей - быть быстросменным, взаимозаменяемым и обеспечивать надежнбе формирование стружки, ее удобное удаление из зоны резания и последующее транспортирование. Кроме того, инструмент должен настраиваться на размер вне станка. Учитывая эти требования, инструмент для ГПС изготовляют по более жестким техническим условиям, чем инструмент для универсального оборудования.
Основная особе1ч>эсть инструментальной системы для ГПС - многоинструментная обработка.
258
9.1. Режущий инструмент для токарного ГПМ
Инструмент	Материал	Условия использования	Вид отказа	Закон распределения стойкости
Резец проходной подрезной для предварительного точения с многогранной режущей пластиной	Т5К10, Т17К2, ТТ5К12В	Работа по корке, неравномерный припуск под последующее обтачивание (растачивание)	Разрушение режущей части	Вейбулла-Гне-денко
Резец прорезной для черновой обработки прямоугольных канавок шириной Ь, мм:	Т5К10, Т15К6	Одно- и многопроходная обработка канавок	Поломки и выкрашивания режущей части. Изнашивание режущих кромок	Экспоненциальный
Резец расточной проходной с многогранной режущей пластинкой (Ф=95°, Ф1=32°)	МС2215, МС2210 (Т5К10)	Черновая обработка отверстий (возможно скопление стружки в отверстии)	Изнашивание режущих кромок, приводящее к разрушению режущей части, изменению размера обработки	Нормальный
1 Резец расточной контурный ((р=93°, ф1=32°)	МС2210, Т15К6, ВОК-71	Чистовая обработка различных форм внутренней поверхности. Окончательная обработка	Снижение точности и увеличение шероховатости обработанной поверхности	Нормальный, экспоненциальный для ВОК-71
Резец для угловых канавок	Т15К6	Одно- и многопроходная обработка угловых канавок. Контурная обработка	Изнашивание режущих кромок	Нормальный
Резец отрезной	Т5К10, ТТ8К6	Отрезание заготовок, в т.ч. из сплошного материала	Изнашивание, выкрашивание режущей части	Нормальный
Фреза концевая диаметром 25 мм	Т5К10	Фрезерование пазов, лысок	Тоже	Нормальный
Сверло центровочное диаметром 6,3; 3,15 мм	Р6М5	Центрование под последующее сверление. Возможно центрование наклонных плоскостей	Разрушение режущей части	Экспоненциальный, при стабильной работе технологической системы - нормальный
Сверло спиральное (укороченное) диаметром 15 мм, ф=90°	Р6М5	Центрование с обработкой фаски в отверстии	Изнашивание вершины и кромок сверла	Нормальный
Сверло спиральное диаметром до 8 мм	Р6М5, Р6М5Т	Сверление под последующее рассверливание, нарезание резьбы	Поломка режущей части	Экспоненциальный
Сверло спиральное диаметром свыше 8 мм	Р6М5, Р6М5Т	Сверление под последующее растачивание или зенкеро-вание	Изнашивание вершины и уголков сверла	Нормальный
Сверло спиральное диаметром 35 мм с многогранными твердосплавными пластинами	МС2210	То же	Изнашивание режущих кромок пластин	—
9*
259
Продолжение табл. 9.1
Инструмент	Материал	Условия использования	Вид отказа	Закон распределения стойкости
Зенковка	ВК8, Р18	Обработка отверстия под головку болта	Поломка зубьев	—
Зенкер	Р18	Окончательная обработка или под последующее развертывание	Изнашивание режущих кромок, увеличение параметров шероховатости	Нормальный
Развертка	Р18	Окончательная обработка по 7-му квалитету	Увеличение параметров шероховатости, снижение точности	Экспоненциальный
Метчик с метрической резьбой диаметром, мм: <8 >8	Р6М5 ч	Нарезание резьбы в глухом и сквозном отверстии	Поломка метчика Изнашивание метчика	Экспоненциальный Нормальный
Методика назначения оптимальных режимов резания определяет эффективность эксплуатации инструментальных систем ГПС. Наиболее распространенные виды обработки на ГПС - сверление, фрезерование и растачивание. Для их выполнения расчет технических характеристик оборудования выполняют на основе нормативов режимов резания. Так максимальную эффективную мощность определяют из условий черновой обработки корпусных деталей твердосплавными фрезами, максимальный крутящий момент - из условий обработки такими же фрезами корпусных деталей из чугуна. Минимальную частоту вращения шпинделя рассчитывают, исходя из условия развертывания отверстий быстрорежущей разверткой в деталях из чугуна и твердосплавной разверткой в деталях из стали, максимальную частоту вращения шпинделя из условия чистового растачивания отверстий резцами из синтетических сверхтвердых материалов в корпусных деталях из алюминия. Предельные значения подач находят, исходя из условий чистовой обработки отверстий твердосплавным резцом в заготовках из жаропрочных сталей (минимальная подача) и резцом из керамики в заготовках из чугуна (максимальная подача).
Выбор режимов резания для инструментальных систем ГПС имеет три основные особенности.
1.	ГПС по сравнению с универсальным оборудованием имеют на порядок более высокую стоимость; поэтому обработка на них должна выполняться на форсированных режимах резания. Для этого инструмент должен иметь повышенную стойкость, что обеспечивает достаточно высокую эффективность эксплуатации дорогостоящего оборудования. Технические средства решения этой задачи те же, что и для обычного оборудования. Однако необходимо учитывать особенности назначения режимов резания для автоматизированного оборудования. Прежде всего это работа на более высоких режимах резания, что приводит к понижению периода стойкости инструмента по сравнению с нормативным. Такие условия обработки возможны в случае применения многоинструментального магазина и специальных механизмов, осуществляющих быструю и частую замену одной группы инструмента другой.
260
2.	Эксплуатация ГПС должна происходить без частых (непредусмотренных) остановок. Как показывает статистика, инструментальная система является «слабой» частью ГПС, и поэтому условия обработки следует назначать исходя из заданного уровня надежности лимитирующих инструментов наладки.
3.	Надежность инструментальной системы определяется параметрами, характеризующими условия эксплуатации режущего клина инструмента. При обработке резанием на ГПС большая часть отказов определяется видом (табл. 9.2) и условиями производства режущей кромки, а также условиями ее установки на державке (табл. 9.3 и 9.4). При резании с ударами следует учитывать динамические условия нагружения собственно инструментальной системы и прежде всего обеспечивать возможно большую ее
9.2. Рекомендации по выбору марок твердых сплавов для точения заготовок
Вид и режимы обработки точением	Стали углеродистые, качествен-. ные, конструкционные	Высоколегированные стали	Стали инструментальные, быстрорежущие	Стали высокомарганцовистые	Стали коррозионно-стойкие ферритного и мартенситного класса	Стали коррозионностойкие кислотостойкие аустенитного и аустенитномартенситного класса
Точение: чистовое t = 0,2...2 мм 5=0,05... 0,3 мм/об	ВО-13, ТН20	ВО-13, ТН20, Т30К4	ВО-13, TH20, Т30К4	ВОК-71, ВК6-ОМ, ВКЗ-М	Т15К6, ВКЗ-М, ВК6-ОМ	ВК6-ОМ, ВК6-М
получистовое / = 2...4 мм 5=0,1... 0,5 мм/об	ВО-13,ТН20, КНТ16, Т15К6, МС2210, МС2215, ВП1325	КНТ15, ЛЦК20, Т15К6, МС2210, МС2215, T14K8, ВП1255, ВП1325	КНТ16, Т15К6, МС2210, МС2215, ВП1255, ВП1325	ВК6-М, ВКЮ-ХОМ	ВК6-М, ВКЮ-ХОМ	ВК6-М, ВКЮ-ХОМ
черновое t = 4...10 мм 5=0,5... 1,5 мм/об	Т5К10, Т14К8, МС1465, T5K8	Т5К10, MCI 460, МС1465, ВП1255	Т5К10, MCI 460, ТТ10К8Б ВП1255	ВК10-ХОМ, ВКЮ-ОМ, ТТ10К8-Б	ВКЮ-ОМ, ВКЮ-ХОМ, ТТЮК8-Б	ВК8, ВКЮ-ОМ
черновое t = 10...30 мм 5= 1...2,5 мм/об	ВП1325, ТВ4, MCI 46, Т17К12, Т4К8, MCI 460, MCI 465	ВП1325, МС131, MCI 46, ТТ7К12, MCI 460, MCI 465	ВП1325, MCI 46, ТТ7К12, ВКЮ-ОМ	ВКЮ-ОМ, ВКЮ-ХОМ, ВКЮ-ХОМ	ВКЮ-ОМ, ВКЮ-ХОМ, ВК8	ВКЮ-ОМ, ВКЮ-ХОМ, ВК8
Нарезание резьбы	Т15К6	T15K6, T14K8	ВКЗ-М, ВК6-ОМ	ВК6-ОМ, ВКЮ-ХОМ	ВК6-ОМ, ВКЮ-ХОМ	ВКЗ-М, ВК6-ОМ, ВКЮ-ХОМ
Отрезание и прорезание канавок	Т14К8, Т15К6	T14K8, T15K6	Т14К8, Т5К10	ВК6-М, ВКЮ-ОМ, ВКЮ-ХОМ	ВКЮ-ХОМ, ВКЮ-ОМ	ВК6-М, ВКЮ-ОМ, ВК6, ВК8, ВКЮ-ХОМ
261
жесткость. Во всех случаях надежность инструментальной системы в первую очередь зависит от ее конструктивной сложности, степени дополнения механических узлов электрическими и пневмогидравлическими устройствами.
9.	3. Рекомендации по выбору марки керамики при токарной обработке на станках с ЧПУ
Материал заготовки	Твердость	Марка керамики .
Стали: конструкционные, углеродистые и легированные Коррозионно-стойкие	160-200 НВ, 200-260НВ, HRC,42-57 HRC, < 50	ВО-13,ВО-18,ВО-13, ВОК-71,ВОК-71,ВКЗ ВОК-71,ОНТ20
Чугун: серый ковкий, высокопрочный	200 НВ, HRC, < 63	ВО-13,ВО-18,ВОК-71, ОНТ20
9.	4. Рекомендации по выбору марок сверхтвердых материалов для токарных работ на станках с ЧПУ, ГПМ и ГПС
Материал заготовки	Характер нагрузки	Марка СТМ
Чугуны серые и высокопрочные твердостью 120-130 НВ, цветные сплавы на основе меди	Без удара С ударом	Композит 01, композит 05, композит 1 Од, томал-10, композит 1 Од, томал-10
Чугуны отбеленные и закаленные твердостью 400-600 НВ	Без удара С ударом	Композит 01, композит 10д, композит 10д
Стали конструкционные и инструментальные твердостью 45-58 HRC,	Без удара С ударом	Композит 01, композит 05, композит 10д, томал-10, композит 10д, томал-10
Стали конструкционные и инструментальные твердостью 58-68 HRC,	Без удара С ударом	Композит 01, композит 10д, композит 1 Од
Спеченные твердые сплавы с содержанием кобальта не менее 15% твердостью 80-86 HRA	Без удара	Композит 01, композит 1 Од
Надежность инструментальной системы ГПС - свойство системы выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных на операцию пределах в течение требуемого времени.
Одним из показателей надежности инструмента является наработка на отказ, т.е. среднее время до первого выхода инструмента из состояния, пригодного для последующей эксплуатации, например, вследствие поломки его режущей кромки. Типовыми причинами отказа инструмента являются не только снижение качества изготовленных деталей (точность или шероховатость) ниже допустимых, но и чрезмерное затупление режущих кромок и возникновение при обработке недопустимых значений физических параметров процесса обработки (силы и температуры резания, предельного уровня вибраций). Оно приводит к повышенному износу и разрушению режущего клина инструмента.
262
Прочность режущей кромки при статическом и динамическом нагружении находят экспериментально или путем расчетов. Среди экспериментальных методов для этой цели наиболее часто используют измерение предельной (ломающей) подачи 5Пр- Основным методом нахождения апр для данных условий обработки является постепенное ступенчатое увеличение толщины срезаемого слоя до наступления поломки режущей части инструмента.
В настоящее время разработаны ускоренные методы испытаний. Одним из них является фрезерование однозубым вращающимся инструментом плоской заготовки, установленной с наклоном на столе фрезерного станка. Момент разрушения режущей кромки определяется по резкому изменению формы прорезной канавки. Этим методом можно исследовать как лезвийный, так и абразивный инструмент. Другой метод экспериментальной оценки прочности режущего клина - свободное точение образца-заготовки, имеющего вид плоского дискового кулачка (рис. 9.1). Для исследования прочности рабочей части инструмента при несвободном резании используют образец-заготовку в виде прямого круглого усеченного конуса (см. рис. 9.1); <р = 45°, ф] = 0, длина режущей кромки 1 = 1,25. В целях экономии материала может быть использован также цилиндр (рис. 9.1, в), обрабатываемый в прямой круговой усеченный конус. Во всех этих методах момент разрушения режущего клина определяют по изменению параметра шероховатости обработанной поверхности.
Рис. 9.1. Методы экспериментальной оценки прочности режущей кромки инструмента
Отказы инструментальной системы подразделяют на отказы функционирования и параметрические. Отказ функционирования приводит к тому, что один из его элементов не может выполнять своих функций. Примером неустранимого функционального отказа для инструмента является его износ, примером неустранимого отказа - поломка режущей кромки или пластинки, отделение пластинки от корпуса инструмента вследствие разрушения припоя или ненадежности механического крепления, разрушение корпуса инструмента или его опорной части.
Параметрический отказ характеризуется выходом параметров изготовленной детали на установленные операционным эскизом поля допуска
263
размеров. Такие отказы не ограничивают дальнейшей эксплуатации инструментальной системы, однако приводят к выпуску недоброкачественной продукции.
Стабильность значений технологических параметров зависит от марки инструмента и вида заготовки. Так, например, инструментальные материалы - твердые сплавы и реющая керамика характеризуются высокой нестабильностью физико-механических характеристик: плотности, прочности, пористости. Нестабильны и параметры обрабатываемых заготовок; например, изменяются припуск, твердость.
Отказы инструмента могут приводить к частичной или полной потере его работоспособности; в первом случае они являются устранимыми, т.е. работоспособность инструмента можно восстановить повторной заточкой рабочих граней, ремонтом корпуса или других его деталей. Причинами устранимых отказов могут быть: износ, истирание, или микровыкрашивание.
Неустранимыми отказами являются: выкрашивание одной из режущих кромок; поломка режущей пластинки или ее отделение от корпуса инструмента вследствие разрушения припоя или механического крепления; разрушение корпуса инструмента или его опорной части под пластину. Безотказность инструмента является главным показателем его надежности. Она характеризуется продолжительностью работы инструмента, т.е. временем работы т, до любого полного отказа, суммарным временем работы Ет, до полного неустранимого отказа или числом повторных заточек к, до полного неустранимого отказа. В массовом производстве более удобно определять эти характеристики числом деталей, обработанных данным инструментом до любого отказа.
Безотказность определяется также вероятностью Р(т) безотказной работы в пределах заданного времени т = Т, где Т- стойкость инструмента.
Безотказность инструмента определяется также интенсивностью отказов. Интенсивность отказов Х(т) оценивается вероятностью отказа в единицу времени после данного момента обработки при условии, что отказ до этого момента не возник. Дополнительными показателями безотказности инструмента являются средняя частота отказов а(т) и среднее время безотказной работы То
Х(т) =
2Ап(т)
Ат(М + NM) ’
Ап(т)
No Ат’

где No- число инструментов в начале испытаний; и(т)~ время т; Ал(т) - число отказов в интервале времени от (т —
Ат
число отказов за Ат.
z, 7У/+д - число работоспособных инструментов соответст-
венно в начале и конце интервала Ат.
Вероятностные характеристики надежности работы резцов с пластинками из твердого сплава Т5К10 на операции получистового растачивания колес вагонеток (/ = 1,25 мм, 50 = 0,76 мм/об.; V = 43,4 м/мин, СОЖ -5-процентная эмульсия) показаны на рис. 9.2, а.
264
Зависимость Р(т) называют кривой надежности. По ней можно найти Т(Р) - время безотказной работы инструмента с вероятностью Р, т.е. время, за которое откажет в среднем Р-100% инструментов.
Зависимость вероятности Р безотказной работы инструмента от периода стойкости Т при различных скоростях резания показана на рис. 9.2, б.
Рис. 9.2. Вероятностные характеристики надежности работы резцов с пластинками из твердого сплава Т5К10 (а, б) и характеристики долговечности работы резцов с пластинками из сплава Т15К6 (в, г)
Ремонтопригодность - свойство инструмента, заключающееся в его способности предупреждать, обнаруживать и устранять отказы и неисправности путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Время Тв на восстановление инструмента состоит из времени на его заточку, замену, регулировку сборного инструмента, смену и наладку. Ремонтопригодность инструмента оценивается средним временем восстановле
265
ния Твс- Например, инструмент с неперетачиваемыми пластинками обладает более высокой ремонтопригодностью в связи с меньшим временем на восстановление его работоспособности по сравнению с напаянным инструментом.
Долговечность - свойство инструмента сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Характеристики долговечности работы резцов при установке твердосплавных пластинок из Т15К6 на черновую и шлифованную опорную поверхности в державке показаны соответственно на рис. 9,2, в, г. Выполнялось точение по корке осей из стали 45 на полуавтоматах МК-65; t = 6,5 мм, Sb = 0,5 мм/об., V- 151 м/мин, СОЖ - 5-процент-ная эмульсия.
Функция распределения долговечности инструмента во времени характеризует зависимость между вероятностью разрушения или износа до предельного значения и наработкой в условиях эксплуатации.
Для определения надежности все чаще применяют показатели стабильности. Основные из них - среднее квадратическое отклонение о и коэффициент вариации v. Они применяются для оценки распределения стойкости при определенных и неизменных условиях обработки. Коэффициент v - безразмерный, он более универсальный и позволяет сравнивать результаты обработки, сильно различающиеся по условиям ее проведения, прежде всего, по режимам резания.
Время безотказной работы инструмента Тр с заданной вероятностью Р является суммарной характеристикой надежности инструмента.
Закон распределения стойкости при удовлетворительных условиях эксплуатации инструмента (когда v<0,35) обычно близок к нормальному. В этом случае Тр = Т (1-Up v), где Г-среднее значение стойкости; Up-квантиль нормального распределения, определяемый по таблицам интеграла вероятностей. Так, для Р = 0,9, Up = 1,282; для Р = 0,95, J7P= 1,645. Надежность инструмента можно оценивать и относительным показателем
Стабильность изготовления инструмента и условий его эксплуатации считается хорошей, если v < 0,2, удовлетворительной - если v = 0,2...0,35 и плохой - если v > 0,5. В последнем случае распределение стойкости слишком велико, что в условиях массового производства приводит к необходимости часто менять инструмент или снижать режимы резания. Оптимизация конструкций инструмента вызывает не только повышение среднего значения стойкости 7р но и уменьшение коэффициента вариации v. Например, оптимизация параметров заточки сверл показывает большое различие в значениях стойкости инструмента ТЬ,9 (в 6,1 раза).
Условия эксплуатации влияют на коэффициент вариации обычно лишь тогда, когда они отличаются от нормальных для данного инструмента. При обработке колец шарикоподшипников из стали ШХ15 твердо
266
сплавными резцами зависимость v от скорости резания не обнаружена. Например, переход от черновой обработки прежде всего при резании по корке к чистовой, характеризующейся большей стабильностью условий обработки, приводит к уменьшению v. Так, твердосплавные резцы при черновой обработке чугуна имеют v = 0,30, при чистовой v = 0,22. Фасонный инструмент изготовляют с учетом его повышенной стоимости лучшего качества, обрабатывая его протяжками по чугуну v = 0,20.
Надежность инструмента определяется вероятностью его безотказной работы Р(т), интенсивностью отказов Х(т), плотностью распределения стойкости f (т):
/ \ п- тп\т)
Р(т) =------
п
2 Атт
f(x)=
Am (т) пАт
где «-объем выборки; т(т) - число отказавших инструментов; А«?(т) -
число инструментов,
отказавших в интервале времени от
nJ+\ -число инструментов, работоспособных соответст
венно в начале и конце у-го интервала времени т .
Следует отметить, что в автоматизированном производстве имеет место существенная дисперсия стойкости Т. Так, в результате, например, производственных испытаний двух партий конусных фрез, изготовленных на различных заводах по одинаковой технологии (при одинаковой средней стойкости Т = 18 мин), установлены различные значения коэффициента ее вариации (0,24 и 0,46). При этом стойкость с заданной вероятностью соответственно была равна 12,4 и 7,4 мин. Поэтому в настоящее время вместо понятия «средняя стойкость» рекомендуется применять «гамма-процентный период стойкости», т.е. определять время резания инструмента, в течение которого он не достигнет отказа с заданной вероятностью Р, выраженной в процентах.
Объем работы, выполняемой режущим инструментом, определяется интервалом времени, длиной пути резания, площадью обработанной поверхности, объемом снятого материала, числом обработанных заготовок. В связи с этим параметры, определяющие наработку режущего инструмента, разделяют на временные, путевые, поверхностные, объемные и штучные. Период стойкости инструмента Т является частным случаем временной наработки до отказа, выраженной машинным временем Ты•
где V- скорость резания, м/мин; /р х, Грх соответственно длина и время рабочего хода инструмента; /р, гр-соответственно длина и время резания; 1Т- путевая наработка между отказами.
267
В табл. 9.5 приведены показатели надежности инструментальных наладок ГПС на основных переходах изготовления корпусных деталей.
9.5. Надежность инструментальных систем
Переходы обработки	Доля в операции, %	Показатели, характеризующие надежность			Наработка до замены инструмента, часы работы станка
		Доля отказов, %	Число замен инструмента на 1 ч работы станка	Число подналадок на 1 ч работы станка	
Фрезерование	40	15,5	0,06	0,050	6,670
Растачивание	15	61,0	0,23	0,195	0,653
Сверление	37	16,9	0, 06	0.050	0,617
Нарезание резьбы	8	6,6	0,04	0,005	2,000
9.2.	Вспомогательная оснастка
Вспомогательный инструмент для ГПС обеспечивает крепление режущего инструмента и его периодическую смену в процессе эксплуатации.
Единая система универсально-сборочной инструментальной системы для ГПС основана на блочном (модульном) принципе, т.е. на разделении режущего и вспомогательного инструмента на унифицированные элементы -модули. Такой метод проектирования является основным при создании современных инструментальных систем для ГПС.
Требования к инструментам при их автоматической смене см. в т. 2, ч. II, (с. 60...72).
Системы автоматической смены инструмента многоцелевых станков классифицируют по ряду признаков (рис. 9.3). Первым признаком является тип изготовляемой детали. Основными деталями служат корпусные и детали типа тел вращения. В зависимости от типа изготовляемой детали (7) выбирают вид главного движения (II) и движение подачи (III). В соответствии с этим находят тип многоинструментальной наладки, т.е. кинематическую схему обработки заготовки. Однорежимная наладка характеризуется работой всех ее инструментов при постоянных значениях минутной подачи и скорости резания. Часто для одновременной обработки в заготовке нескольких отверстий применяют одноподачную наладку. В этом случае инструменты работают при различных скоростях резания и одинаковой подаче. Напротив, на ряде операций, например при точении, используют односкоростные наладки; в этом случае скорость резания всеми инструментами неизменна, а подача их различна. Изложенное позволяет определить рациональную компоновку (IV) многоцелевого станка V. Назначают положение оси инструмента в магазине относительно оси шпинделя или направления движения суппорта (К), способ смены инструмента (VI), механизм смены (VII), способ фиксации шпинделя или суппорта в момент смены (VIII), расположение (IX) и тип (X) инструментального магазина.
Таким образом, система автоматической смены инструмента состоит из двух основных агрегатов - магазина для создания запаса инструмента и устройства, обеспечивающего автоматическую смену инструмента путем
268
его передачи из магазина в рабочий элемент станка и обратно. Такая система может обеспечивать смену отдельных инструментов или многоинструментальных головок.
| Корпусные ~]
I. Тип изготовляемых деталей ЦЕЙ шшйя\
П. главное движение
Инструменту уаготовкантаюма^
111. Движение подачи

\заготовка+инструменту | заготоВКа I | ИнструменпГУ
I /И ’Компановка ’м^гшлёдых ’станкоД
| у Положение оси инструмента 6 магазине относительно оси шшделяВсуппорйю^ | произвольное | ^теидюфрриоВУ\ Параллельное | [ТГоосное^ |
VI. Спосдо смены инструмента
^мВршныр^ |	£’тпйнВёлеШшртё}
' | №мена шпиндельного узла |
~%1Г. Механизм смены инструмента с ашооператоры^ вез aomponepamopd
*
U7
УШ. Положение шпиндельной ВаВки (суппорта) при смене инструмента ^жйр^нноё |
I 'ПррйзВольнрд |
IX. Расположение инструментального магазина
_____ I	.....	_ ____HI	1_____
УМстй№(станине)\ ура шпиндельной бадкеууторйёХ удддом со станхойу ратестанк^ | х TZw Внстр^ёнталйного ’магазина |
I г~~i	I | ।
I Д исковый | I дарованный | [
иепноа 1
] I л/gWwzz ।
Рис 9.3. Классификация систем автоматической смены инструмента
269
К системе автоматической смены инструмента предъявляются общие требования, к которым прежде всего относятся: простота кинематической схемы, т.е. сокращение до минимума числа необходимых движений узлов для смены инструмента; минимальное время смены инструмента; максимальное совмещение в циклограмме времени смены инструмента со временем работы станка; обеспечение заданной точности установки инструмента относительно станка; удобство обслуживания системы смены, прежде всего инструментального магазина. Ручную смену инструмента при наличии устройства для автоматической смены применяют в следующих случаях: когда в магазин не включена вся номенклатура инструментов, необходимая для изготовления сложной детали; при необходимости особо точной установки инструмента определенного типа.
Гибкость инструментальной системы заключается в следующем: она способна перестраиваться в соответствии с изменением производственной ситуации; возможен ее переход из рабочего состояния для изготовления детали одного типоразмера в другое рабочее состояние для изготовления детали другого типоразмера; переходный процесс определяется периодом времени Гп в течение которого инструментальная система не выполняет своего служебного назначения. Количественно гибкость системы опреде-
ляется коэффициентом готовности к / =---, 7р - время работы систе-
Гр + 7п
мы после перестройки.
Различают гибкость системы трех видов: технологическую, структурную и организационную.
Технологическая гибкость определяется способностью инструментальной системы переналаживаться при изменении номенклатуры изготовляемых деталей. Время изготовления деталей требуемой номенклатуры т
Т? -	к,, где Гц/- время цикла изготовления z-й детали; к, размер пар-
।
тии z-й детали; m - число переналадок системы.
Время простоя системы находится как сумма времени, расходуемого m
на переналадки: /п = //п>» где /п, время г-й переналадки. /=|
Коэффициент технологической гибкости
m
Структурная гибкость характеризуется способностью системы выполнять свое служебное назначение при отказе одного из компонентов обрабатывающей системы в целом (станка, инструментальной наладки, системы ЧПУ и т.п.) или инструментальной наладки, в частности. Для того, что-270
бы была возможна более высокая загрузка системы, создают такие структуры, у которых при выходе из строя одного элемента предусмотрено включение в работу другого подобного элемента.
Рассмотрим приведенные ниже количественные соотношения. При отсутствии возможности передавать функции отказавшего элемента другому полное время работы системы составляет Ti =
где t, = /н о ~ время выполнения служебного назначения (здесь время наработки на отказ); tB.p ~ время восстановления работоспособности.
Если структурная гибкость в системе предусмотрена, то при передаче функции отказавшего компонента другому будет происходить частичная потеря производительности. В этом случае полное время работы

где t- - время выполнения служебного назначения без потери производительности; t? ~ время выполнения служебного назначения с частичной потерей производительности.
Время сокращения простоев tc п за счет повышения структурной гибкости определяют по формуле
tc.n = &+ £ h.n )- (£ t° + Y tf° ) .
Коэффициент структурной гибкости
Организационная гибкость характеризуется способностью системы адаптироваться к различным изменениям производственной ситуации -отсутствию требуемых заготовок необходимого режущего инструмента, заготовок и деталей вспомогательной оснастки.
Гибкость инструментальной системы обеспечивается прежде всего применением универсально-сборных конструкций инструмента, основанных на модульном принципе и позволяющих производить заданную номенклатуру деталеопераций. По этому показателю качество инструментальной системы определяется номенклатурой и типоразмером инструмента, его количеством. Гибкость системы увеличивается при использовании малого числа типоразмеров инструментов для заданного числа технологических переходов. Чем меньше число перестановок инструмента, тем больше число переходов, которые можно выполнить одним инструментом, и тем выше гибкость инструментальной системы.
Одной из характеристик гибкости инструментального модуля является число видов применяемого инструмента. Эта величина характеризуется отношением максимального числа различных технологических переходов к минимальному числу наименований инструмента, необходимого для выполнения этих переходов. Здесь главным показателем является сокращение не только общего числа инструмента, но и видов инструмента, числа их настроек и всякого рода перемещения. Применение большого числа на
271
именований инструмента влечет за собой увеличение настроек инструмента, производимых, как правило, вне станка, что снижает эффективность использования инструмента. Цель рационализации инструментальной системы ГПС - достижение экономически целесообразного минимального числа инструмента, с помощью которого может быть обработана заданная группа деталей.
Таким образом, гибкость инструментальной системы характеризуется набором модульных инструментов, необходимых для изготовления заданной для ГПС номенклатуры деталей. Оптимальная номенклатура инструментов, определяющая содержание магазина ГПС, устанавливается из технико-экономического анализа и обязательного учета соотношения стандартного и специального инструмента.
9.3.	Средства настройки и диагностики инструментальных систем
Необходимым условием построения ГПС является создание технических средств настройки инструмента и диагностики его состояния в процессе обработки; это обеспечивает формирование заданного качества изготовляемого изделия.
Типовые схемы настройки инструментальных систем ГПС показаны в табл. 9.6. Следует отметить, что основным методом настройки инструмен-
9.6. Основные схемы настройки инструмента на ГПС
Виды наладки и диагностики инструмента	Режимы выполнения на ГПМ уровня автоматизации		
	1-го	2-го	3-го
Выполнение цикла обработки по жестко заданной программе	А	А	-
Адаптивное выполнение цикла обработки	-	А	А
Установка инструмента в шпиндель при обработке по программе	А	А	А
Накопление инструментов в одном или нескольких магазинах	А	А	А
Контроль состояния инструментов по ресурсу работы без защиты от аварийных ситуаций	А	-	-
То же, с защитой от аварийных ситуаций	-	А	-
Контроль состояния инструментов по фактическому состоянию режущей кромки и технологическим критериям затупления	р	А	А
Замена при отказе участка или полностью режущей кромки	р	А	А
То же, режущей головки или непосредственно инструмента дублером	р	А	А
То же, полностью комплекта инструментов	-	А	-
Смена режущей головки или непосредственно инструмента при переналадке	р	Р	А
Заточка изношенных участков режущих кромок на станке при контроле за состоянием инструментов по ресурсу работы	-	А	-
То же, по фактическому состоянию режущих кромок и технологическим критериям затупления	-	А	А
Настройка инструментов на станке путем подналадки в течение периода стойкости	р	А	А
То же, путем подналадки после предварительной настройки вне станка	р	А	А
272
та на размер осуществляется вне станка на специальных стендах, и по-прежнему это - ручная трудоемкая операция. Для снижения ее трудоемкости применяют типовые оптические приборы. Устройства настройки часто имеют связь с управляющей ЭВМ, в памяти которой регистрируется фактически установленный размер. При поступлении этого инструмента на ГПС одновременно в управляющие программы этого станка посылаются из памяти ЭВМ и фактические данные о настройке инструмента на обрабатываемый размер детали. Создание «видящих» устройств, «осматривающих» собранный инструмент, является главным элементом автоматизации этих операций.
Автоматическая поднастройка инструмента на размер может осуществляться непосредственно на станке с помощью датчиков касания (табл. 9.6) (см. также т. 2, ч. II, с. 147-149).
Подналадка на размер может предусматриваться и самой конструкцией инструмента. На рис. 9.4, а показаны конструкции однозубой расточной головки для растачивания отверстий диаметром 40... 130 мм. Она имеет корпус, на передней части которого имеется угловой паз типа ласточкина хвоста (угол 50°). В этом пазу размещена державка 7, которая может перемещаться в радиальном направлении. В базирующем гнезде державки расположена сменная многогранная твердосплавная трехгранная или четырехгранная пластина 2. В зависимости от конструкции пластины крепят прихватом и винтом или винтом через отверстие в пластине 3. Геометри-
Риска 1
Рис. 9.4. Конструкции однозубой расточной головки для растачивания отверстий диаметром 40... 130 мм (а) и для чистового растачивания точных отверстий (б)
273
ческие параметры режущей пластины следущие: угол в плане (р = 90° в трехгранной пластине и ср = 75° в четырехгранной пластине, передний угол у = 0°, задний угол а = 8... 10°. Применяют плоские пластины при обработке заготовок из чугуна или пластины со стружкоснимающим порожком при обработке заготовок из стали.
Микрогеометрический винт с лимбом расположен в корпусе пластины. По винту перемещается ползушка, служащая упором для державки. При вращении микрогеометрический винт, действуя через ползушку на штифт, перемещает державку в радиальном направлении, при этом обеспечивается точная настройка головки на требуемый размер обработки. Головку на размер обработки настраивают на специальном приборе БВ2015. Точность настройки, доступная в производственных условиях, составляет ±(0,01...0,02) мм в зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия и квалификации оператора. Такую конструкцию однозубых сборных расточных головок можно успешно применять как однолезвийный инструмент для чернового и чистового растачивания.
Для чистового растачивания точных отверстий требуется подналадка на размер с высокой точностью (см. табл. 9.7); конструкция инструмента, удовлетворяющая этому требованию, показана на рис. 9.4, б. Она состоит из корпуса 6 с хвостовиком (конусность 7 : 24). В корпусе на переднем торце выполнено наклонное (под углом 53°), точно выполненное отверстие, в котором расположена державка 2 со сквозным квадратным отверстием для резца 9. На державке имеется точная резьба, на которую навинчена лимб-гайка 3 со шпонкой. Державка от проворота удерживается шпонкой 7, которая скользит по шпоночному пазу, имеющемуся в отверстии. Пружина 4 и толкатель 5 осуществляют постоянный прижим лимб-гайки к плоскости корпуса. Резец предварительно устанавливают в пазу державки и закрепляют винтом 7, жестко соединяющим резец с державкой.
9.7. Основные размеры расточных головок с микрорегулировкой, мм
Диаметр растачивания D, мм	Допуск 5, мкм	Длина отверстия L, мм	Отклонение от цилиндричности а, мкм
45-65	40	160 250	10
65-85	50	160 250	12
85-110	63	160 350	12
110-140	80	160 350	16
140-180	100	160 250	20
Вылет резца регулируют посредством поворота лимб-гайки; цена одного деления лимба соответствует радиальному перемещению резца на 0,01 мм. Винт 8 служит для фиксирования державки и резца в заданном положении. Предварительная настройка на размер производится вне станка на приборе, а окончательная подналадка осуществляется по рабочему 274
проходу. Как показал опыт эксплуатации таких головок, они обеспечивают точность регулирования резца при растачивании отверстий по 7-му квали-тету. Конструкция головки отличается высокой жесткостью, ее успешно применяют при получистовом растачивании с припуском до 3...5 мм.
Основным направлением значительного повышения эффективности процессов резания на ГПС является их улучшение путем диагностики текущего состояния всех элементов обрабатывающей системы, построения на основе диагностических сигналов систем управления процессами резания и перехода на системы автоматического регулирования (САР).
Системы управления процессом резания подразделяют на три класса:
1)	защитные системы, прекращающие обработку на станке при достижении принятым диагностическим признаком некоторого критического (порогового) значения;
2)	системы автоматического регулирования резания; они обеспечивают автоматически, без непосредственного участия оператора, оптимальные условия обработки; эти системы поддерживают постоянными или изменяют по заданному закону один или несколько параметров обработки;
3)	системы, совмещающие функции первых двух систем или обеспечивающие управление резанием сразу по нескольким критериям оптимального регулирования.
Для построения средств настройки и диагностики инструментальных систем все чаще применяют ЭВМ. В этом случае количественные критерии оптимального регулирования, принятые для данной операции обработки резанием, должны быть пригодны для использования в алгоритме автоматического управления. Для этого используют, например, математический аппарат распознавания образов.
Степень конструктивной сложности системы диагностики и автоматического управления резанием в значительной степени зависит от стоимости изготавливаемой детали и применяемого на данной операции обрабатывающего оборудования; чем выше эти показатели (например, при производстве конструктивно сложных деталей из труднообрабатываемых материалов на ГПС), тем выше эффективность этих систем.
Диагностика процесса резания по действующей силе резания является одним из наиболее распространенных методов. Обычно измеряют одну из составляющих силы резания, например, расходуемую мощность привода шпинделя станка; при этом по значению действующей силы резания судят об износе инструмента. Измерение силы резания часто используют для построения систем ограничивающих, например, предельный крутящий момент, что исключает поломку сверл и метчиков. Измерение силы тока электродвигателя применяют обычно в тех случаях, когда сила резания от инструмента непосредственно на подшипники станка не передается; этот метод также применяют как дополнительный, например, при аварийной поломке инструмента.
Диагностический сигнал, основанный на измерении радиальной силы, наиболее часто используют для управления резанием; упругий передающий элемент динамометра конструктивно выполнен вместе с головкой и
275
Рис. 9.5. Устройство для управления процессом резания с помощью диагностического сигнала, основанного на измерении радиальной силы
корпусом резцедержателя. На рис. 9.5 показано устройство, которое состоит из резцедержателя 1 с упругим элементом, головки резцедержателя 2 с твердосплавной пластинкой 3. В резцедержателе в вертикальном направлении (перпендикулярно к оси державки) выполнен сквозной паз замкнутого контура V, в который помещена тяга 9; она позволяет упругому передающему элементу с головкой дополнительно деформироваться под действием измеряемой составляющей силы резания Р. Внутри резцедержателя расположен магнитоупругий дроссельный преобразователь с измерительным наконечником 5. Пластина 7, на которой крепятся рабочий б и компенсационный 11 магнитоупругие преобразователи, перемещается при настройке в пазах боковых направляющих пластин 12. Регулировочный винт 8 с гайкой 10 осуществляет постоянный прижим измерительного наконечника к упругому элементу и служит для выведения на линейный рабочий участок характеристики сила резания - износ инструмента при настройке путем предварительного сжатия магнитопровода.
Силоизмерительные подшипники в последние годы все шире применяют для управления резанием (см. т. 2, ч. II, § 9.5).
Станки с автоматическими системами управления, в которых в качестве параметра регулирования используют силу резания, позволили создать новый метод обработки с постоянной силой резания. Этот метод широко применяют при сверлении отверстий малого диаметра; при этом повышается стойкость инструмента и резко сокращается число поломок сверл. Обработку с постоянной силой резания используют и при фрезеровании. Метод обработки с постоянной силой резания дает существенное снижение интенсивности изнашивания инструмента при той же производительности.
Система адаптивного управления показана на рис. 9.6. Структурная схема автоматического регулирования фрезерования воздействием на силу 276
Рис. 9.6. Системы адаптивного управления механической обработкой
резания показана на рис. 9.6, а. Для обработки использовали вертикальнофрезерный станок 6П1О. Значение упругого перемещения, зависящее от режимов обработки, устанавливают при настройке технологической системы задатчиком ЗУ. Датчик Д измеряет отклонение составляющей силы резания Рх и подает его в виде электрического сигнала UT через усилитель в сравнивающее устройство СС. После сопоставления полученного сигнала с заданным определяются значение и знак сигнала согласования, которые в
виде электрического сигнала через усилитель подаются в серводвигатель -управляющее устройство (РО). Он выполняет поворот в необходимую сторону движка реостата. Серводвигатель включен в электросхему бесступенчатого изменения частоты вращения вала электродвигателя. Он измеряет значение подачи стола станка до тех пор, пока сила Рх не достигнет заданного значения ЭДС.
Датчик 7, измеряющий упругие перемещения пиноли задней бабки, подает сигнал через усилитель 2 в сравнивающее устройство. Задатчик 3 обеспечивает необходимое значение <р (при данных режимах резания заготовки) в виде электрического сигнала. Это значение корректируется в зависимости от положения резца по длине обрабатываемой поверхности (т.е. относительно датчика 7) устройством 7. Кроме того, упругие перемещения переднего и заднего центров устраняются программирующим устройством 4, Суммарный сигнал через усилитель 5 управляет работой электродвигателя 6, проворачивающего резец
Диагностика инструментальных систем по значению температуры в
зоне резания широко применяется при построении ГПС; по ее значению определяют износ инструмента и точность обработки.
Для измерения температуры в зоне резания наиболее часто используют естественную термопару (рис. 9.7). В замкнутой цепи станок - приспособление - инструмент - заготовка (7, 4, 7 -изоляторы, 2 - проводник, 3 - токосъемник, 5 - гальванометр, 6 - цельный резец) в результате контакта двух разнородных металлов (инструмента и об-
Рис. 9.7. Устройство для измерения температуры в зоне резания
277
рабатываемой заготовки) при условии различия температур спаев -02) возникает термоЭДС Е =	-©2)5 гДе коэффициент термоЭДС,
т.е. зависимость возникающей силы тока от значения температуры.
Возникающая термоЭДС равна
е=4 (е, -е2)/«-^,
в	Пз
где к - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; иин,п3 - концентрации свободных электронов контактирующих материалов инструмента и заготовки соответственно. В процессе резания физико-механические свойства контактирующих материалов различны, т.е. иин Ф п3; кроме того, про
исходит нагрев зоны спая, т.е. места контакта инструмента и заготовки, теплотой, выделяющейся в процессе резания, т.е. Ф 02. Из вышеприве
денной формулы видно, что если иин = п3 или 0j = 02 , то термоЭДС будет
отсутствовать (рис. 9.8).
Рис. 9.8. Вольтамперные характеристики термоэлементов инструмент-заготовка:
1 - v = 21,5 м/мин; 2 - 20; 3 - 40; 4 - 50; 5 - 50;
6-75; 7-153; 5-304
Таким образом, систему обработки заготовка-инструмент в процессе резания можно
рассматривать как термоэлемент, создающий ЭДС (рис, 9.9); при замыкании цепи в ней протекает ток силой
Е (^вн+^с)
где 7?вн - внуг-
реннее сопротивление термоэлемента инструмент-заготовка, Rc - электрическое сопротивление обрабатывающей системы станок - инструмент -заготовка (см. рис. 9.7). Мил
0.2 О.!5 0.2
Рис. 9.9. Методы определения ЭДС
278
ливольтметр, включенный в эту цепь, показывает значение электрического потенциала, возникающего в результате нагревания спая этой термопары при резании. Такая термопара дает среднее значение ЭДС, возбужденной во всех точках контакта поверхностей инструмента и заготовки, а следовательно, и некоторую осредненную по всем этим поверхностям температуру.
Таким образом, одна из характеристик применяемых станков-их электрическое сопротивление. Исследования показали, что оно в значительной степени зависит от режима работы станков. Оно возрастает с увеличением угловой скорости шпинделя и скорости перемещения суппортов и уменьшается с повышением нагрузки и температуры масла. Так, электрическое сопротивление токарного станка 1А62 при минимальных скоростях равно 2...3 Ом, а при максимальных достигает 70...90 Ом. При таких сопротивлениях термоэлементы системы резец-заготовка способны создавать токи силой 0,2...80 мА.
Метод естественной термопары применяют для построения как защитных систем, так и систем автоматического регулирования. В основу построения указанных систем положена взаимосвязь стойкости инструмента (ширина фаски износа по задней грани), температуры в зоне резания и термоЭДС. В этом случае используют обычные критерии затупления. Наиболее распространенным из них является ширина изношенной контактной площадки по задней поверхности h3 (см. рис. 9.9). В качестве критерия затупления используется абсолютное значение сигнала, полученного методом естественной термопары, его относительное изменение, частотный спектр ЭДС и изменение его формы в процессе обработки.
Адаптивная система регулирования с использованием метода естественной термопары реализована при торцовой обточке дисков авиационных двигателей. Система позволяет производить обработку с постоянной скоростью резания (ПСР) и постоянной температурой резания (ПТР) одновременно. Стабилизация скорости V и температуры 0 резания осуществляется путем плавного изменения частоты вращения шпинделя станка. В качестве бесступенчатого главного привода применен объемный гидропривод с регулируемым аксиально-поршневым насосом типа 210.20 и нерегулируемым гидромотором. В режиме ПСР система работает с датчиком скорости резания, состоящим из тахогенератора постоянного тока и линейного путевого реостата специальной конструкции, изменяющего свое сопротивление пропорционально радиусу обрабатываемой поверхности. В режиме ПТР система работает с датчиком температуры в зоне резания, которым является естественная термопара резец - заготовка.
Станок, оснащенный такой системой автоматического регулирования, позволяет вести обработку торцовых поверхностей дисков в трех режимах: 1) постоянного числа оборотов (ПЧО); 2) постоянной скорости резания (ПСР); 3) постоянной температуры резания (ПТР). На рис. 9.10, а приведены значения сил резания Ру при точении в режиме ПТР торцовой поверхности диска резцами из сплава ВК8 при различных подачах. Результаты исследований позволяют утверждать, что колебания сил резания в режиме
279
ПТР незначительны, и это повышает точность формы детали, а характер сил резания при различных подачах сохраняется. Аналогичные результаты были получены при обработке торцовых поверхностей дисков ВЖ102 резцами из сплава ВК6-М: режим ПТР по стабильности сил резания превосходит режимы ПСР и ПЧО.
Рис. 9.10. Зависимости силы резания (а) и шероховатости Rz при торцовом точении дисков от их диаметра; остаточные внутренние напряжения, возникающие при торцовом точении на режимах ПЧО (в), ПСР (г), ПТР (д). Обрабатываемый материал: Х18М1ОТ (кривая /); XM38BT3 (кривая 2); РЖ102 (кривая 3)
Стабильность шероховатости поверхности в значительной степени зависит от режима обработки. Это объясняется колебанием сил резания и температуры в зоне резания на режимах ПЧО и ПСР и интенсивностью изнашивания, которая на всех трех режимах неодинакова (минимальная на режиме ПТР). Стабилизация параметров процесса резания в режиме ПТР обеспечивает наилучшую стабильность шероховатости поверхности диска. Качество обработки на режиме ПТР характеризуется и качеством поверхностного слоя.
Наивысшая производительность была достигнута при точении в режиме ПСР, несколько ниже она в режиме ПТР и значительно ниже в ре-280
жиме ПЧО. Износ резцов в режиме ПТР в 1,5...2 раза выше, чем в режиме ПСР и в 2...5 раз выше, чем в режиме ПЧО. Изложенные выше результаты испытаний, проведенных на станке МК163, показали также, что преимущества автоматизированного режима ПТР в полной мере проявляются только при поддержании оптимальной температуры в зоне резания.
Тепловизионная термография обеспечивает непрерывное измерение поля температур у вершины резца. Этим методом определено, что температура в процессе резания изменяется чрезвычайно быстро; одной из причин этого является различная микротвердость заготовки. Такое высокое быстродействие рассмотренной установки позволяет создавать надежные системы диагностики процесса резания.
Адаптивные системы с регулируемым принудительным нагревом державки резца обеспечивают компенсацию погрешностей, возникающих при обработке детали и обусловленных, например, их неравномерным тепловым расширением. Режущий инструмент 4 (рис. 9.11) с тепловым элементом 1 расположен в пазу 10 корпуса; он изолирован от рабочей 2 и зажимной 3 частей, а также от окружающей среды. В качестве теплового источника использовали электронагреватель 5. Рабочая часть 2, в которой
Рис. 9.11. Режущий инструмент с тепловым регулятором
установлена режущая вставка 6, соединяется с зажимной частью 3 упругой перемычкой 7. Надежный отвод теплоты из зоны резания обеспечивают каналы S, расположенные в рабочей и зажимной частях; в них подается охлаждающая жидкость. Каналы 9 служат для охлаждения теплового элемента 1 воздухом. Настраиваемый вне станка рабочий размер инструмента А регулируется специальным контрольно-измерительным приспособлением. Применение этого инструмента позволяет снизить погрешности формы изготовленных деталей в 5...20 раз.
Метод акустической эмиссии получил распространение как метод контроля таких технологических процессов, как сварка, гидроштамповка, опрессовка газовых труб, и, в том числе, как метод диагностики инстру
281
ментальных систем. Работами МГТУ им. Н.Э. Баумана (рис. 9.12) его применяют для следующих целей: контроля состояния режущего инструмента в процессе работы; экспресс-выбора оптимальных условий механической обработки, включая режимы резания, геометрические параметры инструмента, марки инструментального материала; подбора оптимальных СОЖ. Измерительная система должна быть расположена по возможности ближе к месту осуществления процесса резания, должна обладать высокой помехозащищенностью; в то же время должна быть предусмотрена возможность работы ее со всеми периферийными устройствами ЭВМ и прежде всего с дисковыми накопителями большой емкости. При этом следует
Рис. 9.12. Области применения метода акустической эмиссии
282
иметь в виду, что расстояние между источником АЭ и датчиком можно уменьшить, увеличив частоту регистрируемого сигнала. При токарной обработке датчик следует располагать в резцедержателе, при фрезеровании и сверлении - на шпинделе станка. В некоторых случаях датчик можно устанавливать непосредственно на обрабатываемой заготовке, оснастке или столе фрезерного, сверлильного, шлифовального станков.
На рис. 9.13 показаны типичные зависимости стойкости режущих инструментов и соответствующее изменение сигналов АЭ от технологических параметров обработки - прежде всего скорости резания V и стойкости инструмента Т. Была проведена экспериментальная проверка достоверности сигналов АЭ источника трения. Проводились испытания на стойкость образцов из ряда труднообрабатываемых материалов на операциях точения и фрезерования. При точении использовали резцы из твердого сплава марок Т15К6, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ. Фрезерование осуществлялось концевыми фрезами из сталей Р6М5, Р6М4К8, Р18, Р6М5ФЗ. Для оценки связи между кривыми вычисляли коэффициент корреляции. Наибольшее его значение составляло 0,96, среднее 0,82, наименьшее 0,65.
Рис. 9.13. Изменение амплитуды сигналов акустической эмиссии Ам (У, 2, 3) и стойкости Т инструмента « 5, 6) от скорости резания при точении материалов:
/, 4 - ХН67МВТЮ-ВК6-М; 2, 5 - ХН55ВМТКЮ-ВК6-М; 3, 6- 20Х13Т15К6
Акустическая эмиссия инструментальных систем регистрирует упругие волны, генерируемые в зоне обработки. Источниками возникновения волн являются процессы деформирования, трения и разрушения, протекающие в зоне взаимодействия инструмента с обрабатываемой заготовкой (рис. 9.14). Процессы, при которых регистрируются сигналы АЭ, характеризуются обычно как нагружением в упругой области деформаций, так и пластическим деформированием и разрушением при скоростях деформаций 8= ПТ6...! О’1 с’1. Волны напряжений, генерируемые в зоне резания, распространяются в упругой среде, например, по резцу или заготовке и достигают свободной поверхности, упругие смещения которой фиксируются датчиком. Сигнал с датчика поступает в блок обработки и из него - в регистрирующее устройство (рис. 9.14,6).
283
Рис. 9.14. Источники акустической эмиссии при обработке резанием (а) и схема ее измерения (б):
I - зона первичной деформации; II - зона деформации на передней поверхности инструмента; III - зона трения на передней и задней поверхностях инструмента; IV - зона разрушения инструментального материала; V - зона разрушения стружки; 1 - апериодический преобразователь; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок фильтров; 4 - дискриминатор; 5 - широкополосный усилитель; 6 - пиковый детектор; 7- интенсиметр; 8 - запоминающий осциллограф; 9 — блок измерения силы резания; 10 - блок измерения температуры;
11 - регистрирующее устройство
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Васильев В.Н. Организация, управление и экономика гибкого интегрированного производства в машиностроении. - М.: Машиностроение, 1986. - 312 с.
2.	Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ГПС/ИЛ. Фадюшин, Я.А. Музыкант, А.И. Мещеряков и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
3.	Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования. - М.: Наука, 1990.-272 с.
4.	Обработка материалов резанием, справочник технолога / А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Боум и др. - М.: Машиностроение, 1988. - 730 с.
5.	Операционная технология обработки деталей общемашиностроительного применения на токарных станках с ЧПУ / М.А. Эстерзон, В.Д. Рыжова, Б.О. Черноморский и др.-М.: ВНИИТЭМР, 1985. - 92 с.
Глава 10.
ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВ И РОБОТЫ
10.1.	Структура транспортно-накопительных систем
Транспортно-накопительные системы ГПС выполняют две основные функции: транспортирование и накопление обрабатываемых заготовок. Они транспортируют заготовки на позиции загрузки и выгрузки станков комплекса, на позиции контроля и на приемные позиции для дальнейшей обработки вне ГПС. Транспортирование заготовок между рабочими позициями или станками можно выполнять несколькими способами: прежде всего - в таре и закрепленными на приспособлениях-спутниках (палетах). Наибольшей универсальностью обладают приспособления-спутники, которые можно применять для ориентации и закрепления различных по конструкции заготовок и их транспортирования. Спутники легко кодировать, поэтому на гибкой автоматической линии или ГПС можно одновременно обрабатывать две или более различные заготовки. Транспортно-накопительные системы ГПС также транспортируют по станкам комплекса режущий инструмент и приспособления при смене объекта обработки и специальную тару со стружкой на сборный пункт.
Существуют два основных конструктивных варианта построения автоматизированных транспортно-складских систем (АТСС): с совмещенными и раздельными транспортной и складской подсистемами. В обоих вариантах склад может состоять из
нескольких универсальных или специализированных секций для хранения заготовок, готовых деталей, технологической оснастки и межоперационных заделов, полуфабрикатов.
АТСС раздельной компоновки выполняют односекционными (разомкнутыми и замкнутыми) и мно
госекционными.
На рис. 10.1, а показана схема ГПС с совмещенной транспортноскладской системой. Станки 1 расположены параллельно стеллажу-накопителю 2. Кран-штабелер 4 или транспортная тележка перемещается вдоль станков и обслуживает как стеллаж-накопитель 2, так и станки 1. По команде от системы управления штабелер 4 забирает из определенной ячейки стеллажа 2 необходимую заготовку и перемещает ее на перегрузочный стол 3 соответствующего станка.
б
Рис. 10.1. Схемы ГПС с транспортнонакопительными системами: а - совмещенная; б - раздельная
285
замкнутыми трассами показаны на
Рис. 10.2. Схемы транспортно-накопительных систем ГПС с замкнутыми трассами транспортирования:
а - односекционная; б - многосекционная
Готовые детали штабелер забирает с перегрузочного стола и переносит их в свободные ячейки стеллажа-накопителя. В данном случае не требуется специальной транспортной системы для обслуживания станков, так как эти функции выполняет кран-штабелер. По этой схеме выполнена система АТСС в ГПС мод. Cz-4 см фирмы Okima Machinery works, Ltd (Япония) и др.
Схема раздельной транспортно-накопительной системы с четырьмя стеллажами-накопителями 1 и двумя кранами-штабелерами 2 показана на рис. 10.1, б. В данной системе автоматическая транспортная тележка 6, перемещаясь по прямолинейному транспортному рельсовому пути 7, обслуживает несколько единиц технологического оборудования ГПС. Из стеллажного склада кран-штабелер 2 подает заготовки в таре на перегрузочный стол 3. Далее транспортная тележка 6 по мере необходимости согласно программе забирает с перегрузочного стола 3 тару с заготовками и транспортирует ее к накопителям 5 станков 4. Установив тару с заготовками на накопитель 5, перегрузочное устройство транспортной тележки 6 забирает тару с готовыми деталями и транспортирует ее на перегрузочный стол 3 стеллажного склада. Затем кран-штабелер по команде от системы управления забирает тару с готовыми деталями и устанавливает ее в свободную ячейку стеллажа. В зависимости от регламента работы оборудования ГПС транспортная система может последовательно или выборочно обслужить накопительные устройства 5 станков 4 системы. По этой схеме выполнена система АТСС в ГПС мод. 107 фирмы Production Master (Япония) и др.
Схемы транспортных систем с рис. 10.2. В односекционной системе из стеллажного склада 1 (рис. 10.2, а) краном-штабелером 2 заготовки в таре подаются на перегрузочный стол 10, откуда они автоматической транспортной тележкой 9 по трассе 7 подаются на локальные накопители 8 технологического оборудования 5 в последовательности, определяемой технологическим процессом обработки деталей на ГПС. После обработки на оборудовании 5 изделия транспортируются той же тележкой 9 по замкнутой трассе на перезагру-зочный стол 3 для контроля, передачи на другие операции или в ячейки стеллажного склада. Отходы (стружки), собираемые в тару (контейнеры) накопителей 6, автоматической тележкой 9 передаются на перегрузочный стол 4, предназначенный для сбора отходов (стружки). При компоновке оборудования ГПС с замкнутой трассой для перемещения тары с заготовками, обработанными деталями, отходами и др. могут быть применены и подвесные конвейеры.
286
При замкнутой трассе технологическое оборудование может обслуживаться последовательно или выборочно по командам от системы управления. По этой схеме выполнена АТСС в ГПС фирмы Shin Nippon Koki Ко, Ltd (Япония).
В многосекционной замкнутой ГПС (рис. 10.2, б) транспортирующий механизм (робокара) обеспечивает движение по криволинейной (ломаной) траектории и ее ветвям. Такое построение транспортно-накопительной системы позволяет наращивать и объединять несколько ГПС, а также максимально использовать производственные площади. Автоматическая раздача грузов с разветвленными трассами наиболее целесообразна при многорядном расположении оборудования и выполнении одним транспортным средством нескольких функций. Из автоматического склада 1 заготовки в маркированной таре подаются автоматическим краном-штабелером 3 на перегрузочный стол 2, который служит приемной станцией робокары 4, снабженной устройством для загрузки и выгрузки. Это устройство передает заготовки на накопители 7 станков 6 и забирает готовые детали с них в любой последовательности по мере необходимости.
Такая разветвленная схема обеспечивает гибкость в управлении и автоматическую передачу заготовок со станков 6 в пределах ГПС с контролем заготовок или без него. Один раз в смену та же робокара развозит пустые контейнеры для стружки по столам 8 станков и собирает наполненные стружкой контейнеры на стол 9. Детали в таре передаются на перегрузочный стол 5, откуда автоматически краном-штабелером загружаются в свободные ячейки стеллажа склада. Склад и локальные накопители обеспечивают оптимальный ритм всей системы, которую могут обслуживать несколько робокар. По такой схеме выполнены АТСС в ГПС фирмы Cincinati Milacron (США) и др.
Таким образом, в различных конструкциях ГПС для транспортирования заготовок в таре или на спутниках применяют различного типа конвейеры-накопители (цепные, роликовые, ленточные и др.), самоходные автоматические транспортные тележки, перемещающиеся по прямолинейным рельсовым путям, а также автоматизированные безрельсовые транспортные тележки-робокары с электронным управлением.
При выборе и разработке транспортно-накопительных систем ГПС необходимо учитывать объем производственной программы, величину партий, размеры, массу и время обработки заготовок.
Компоновка транспортно-накопительной системы зависит от расположения станков ГПС. В состав транспортно-накопительной системы входят центральный конвейер-накопитель и буферные накопители у каждого станка. Конвейеры-накопители имеют приемно-передающие устройства, которые служат для передачи тары или спутников с продольных ветвей конвейеров на поперечные и обратно, приемно-передающие устройства станков, устройства фиксации спутников на конвейере, устройства для считывания кода спутника, камеры промывки спутников и обрабатываемых заготовок и др. Рассмотрим транспортно-накопительные системы некоторых ГПС.
Гибкая производственная система с односторонним расположением станочного оборудования относительно стационарной разветвленной транспортно-накопительной системы фирмы Cincinati Milacron (США) показана на рис. 10.3. В комплекс входят четыре многоцелевых станка 4 с дисковыми инструментальными магазинами и с двухпозиционными авто-
287
Рис. 10.3. Гибкая производственная система фирмы Cincinati Milarcon (США)
матическими устройствами с поворотными столами и позицией ожидания 3, транспортная накопительная система с центральным роликовым конвейером-накопителем 1 замкнутого типа и дополнительными роликовыми буферными накопителями 6 у каждого станка комплекса. Спутники с продольных ветвей конвейера передаются на поперечные и с поперечных на продольные приемно-передающие устройства 2 с вращающимися роликами (от привода). Спутники с роликовых конвейеров буферных накопителей передаются на позицию ожидания 3 многоцелевых станков и обратно с помощью приемно-передающих устройств 5, расположенных напротив позиций ожидания станков.
Центральный конвейер-накопитель 1 имеет ответвления, которые образуют отделения с рабочими позициями загрузки 7 и разгрузки 8 обрабатываемых заготовок.
На буферных накопителях многоцелевых станков справа находятся спутники с заготовками, а слева - спутники с обработанными деталями. Стрелки на транспортерах показывают путь следования спутников с обработанными деталями на позицию разгрузки S, где они снимаются с него, и свободный спутник по конвейеру поступает на позицию 7. На этой позиции на спутник устанавливается и закрепляется новая заготовка, на нем указывается код заготовки и подается сигнал в систему управления комплексом. По программе от ЭВМ спутник транспортируется к соответствующему станку.
Гибкая производственная система с линейным расположением оборудования фирмы Hiiller Hille (Германия) приведена на рис. 10.4. Она предназначена для обработки различных корпусов редукторов для электродвигателя. В систему входят два многоцелевых станка 2 и 4 с устройствами 288
Рис. 10.4. Гибкая производственная система фирмы Hillier Hille (Германия)
автоматической смены режущего инструмента с дисковыми инструментальными магазинами а, б, в, г, ди устройствами автоматической смены спутников 3, моечная машина 1 и система транспортирования и накопления спутников с обрабатываемыми заготовками.
Транспортирование спутников 7 с заготовками или обработанными деталями осуществляется по линейному транспортному пути 11 с помощью двухпозиционной автоматизированной транспортной тележки 9. Разгрузка и установка обрабатываемых заготовок производится на двух загрузочно-разгрузочных позициях 5 и 6. После съема со спутника обработанной детали и установки новой заготовки оператор устанавливает код данной заготовки на спутнике. Далее спутник 7 транспортной тележкой 9 транспортируется в накопитель 8 спутников, где он и находится до тех пор, пока по сигналу от ЭВМ его затребует тот или иной станок.
В зависимости от сигналов от станков 2 или 4 об окончании обработки деталей, по программе от ЭВМ транспортная тележка 9 перемещается к соответствующему спутнику накопителя S, забирает спутник с новой заготовкой и транспортирует его с учетом приоритета на станок 2 или 4. Автоматическое загрузочное устройство станка забирает с транспортной тележки 9 спутник с заготовкой на свою свободную позицию, а спутник с обработанной деталью перемещается на вторую свободную позицию транспортной тележки 9. Далее спутник с заготовкой перемещается в позицию обработки 10 станка 2, а транспортная тележка - к моечной машине 1 и передает спутник с обработанной деталью для очистки от стружки. В это время транспортная тележка может выполнить операции загрузки-выгрузки с обрабатываемыми заготовками на другой станок системы, а затем забрать спутник с очищенной деталью из агрегата мойки 1 и переместить его на 5-ю или 6-ю позиции загрузки-выгрузки, на которых оператор выполняет соответствующие операции.
Линейная компоновка оборудования позволяет в зависимости от потребностей производства увеличивать число технологического оборудования в гибкой производственной системе без изменения механизмов транспортирования. В данном случае обработка различных деталей в гибкой производственной системе может производиться в любой последовательности.
289
10.2.	Автоматически управляемые тележки и робокары
Для выполнения транспортных и загрузочно-разгрузочных работ в ГПС применяют автоматические транспортные тележки с прямолинейными рельсовыми путями и безрельсовые самодействующие транспортные тележки, так называемые робокары.
Самоходные транспортные тележки с прямолинейными транспортными путями в отличие от конвейеров-накопителей, где все спутники перемещаются одновременно, обеспечивают доставку из центрального накопителя к станку только одного спутника с произвольным выбором. Самоходные транспортные тележки не сложны по конструкции, просты в эксплуатации, их применяют в современных транспортно-накопительных системах ГПС как средство, обеспечивающее связь между центральным накопителем (магазином) спутников, устройствами смены спутников на станках и рабочими местами операторов. Транспортно-накопительные системы с самоходными транспортными тележками позволяют обслуживать несколько многоцелевых станков ГПС, их используют для транспортирования обрабатываемых заготовок различных типов в таре и закрепленных на спутниках, приспособлений, режущих инструментов и тары со стружкой.
На рис. 10.5 приведена конструкция автоматической транспортной тележки, которая перемещается по прямолинейным рельсовым путям 11. Она состоит из сварной рамы 8 с двумя осями, несущими две пары колес 9. С торцов рамы смонтированы подвижные дуги 6 для автоматического включения системы торможения и останова тележки в случае наезда на посторонние предметы. Привод тележки 10 имеет электродвигатель постоянного тока и редуктор 7, питание осуществляется от шины 2. Механизм фиксации обеспечивает останов тележки в заданных местах. Управляют тележкой от пульта 5. Спутник 1 с заготовкой устанавливают на направляющих 3, по которым он перемещается от привода 4 при передаче спутника на рабочий стол станка или в накопитель.
6
Рис. 10.5. Автоматическая транспортная тележка, перемещающаяся по рельсам
290
В ГПС широко применяют безрельсовые самодействующие транспортные тележки (робокары). Робокары — это автоматически адресуемые тележки с электронным управлением, перемещающиеся непосредственно по полу, оснащенные устройствами для приема и передачи спутников с деталями и поддонов. Они зарекомендовали себя как универсальное средство для выполнения межучастковых и межоперационных транспортных операций. По сравнению с другими средствами транспортирования они имеют следующие преимущества: малогабаритны, имеют большой диапазон скоростей перемещений с автоматизацией направления перемещения, с автономностью управления, возможностью использования проездов (трасс) для других видов транспорта.
Возможности безрельсовых грузонесущих автоматических транспортных тележек (робокар) очень широки за счет простоты создания новых транспортных путей и оснащения робокар устройствами автоматизации погрузочно-разгрузочных операций. Многие фирмы выпускают транспортные тележки подобного типа. Среди отечественных конструкций подобных тележек следует отметить автоматические тележки типа «Электроника», МП-12Т, конструкции ИАЭ им. И.В. Курчатова и др.
На рис. 10.6 приведены некоторые типы робокар, а в табл. 10.1 даны их технические характеристики.
Рис. 10.6. Автоматические транспортные тележки (робокары)
Автоматическая тележка типа «Электроника» (рис. 10.6, а) предназначена для транспортирования грузов с массой до 500 кг. В корпусе автоматической тележки смонтированы электроприводы движения и поворота с питанием от аккумуляторов. Грузовая платформа поднимается с помощью выдвижных штырей. Высота подъема платформы 150 мм. Устройство
ю*
291
управления движением и подъемом платформы выполнены на основе мик-роЭВМ. Устройство маршрутослежения оптоэлектронного типа (излучатель - светоотражающая полоса). В корпусе тележки расположены также датчики контроля за состоянием ряда узлов. Безопасность эксплуатации обеспечивается применением механического отключения привода от дуги безопасности, срабатывающего при касании ею препятствия.
10.1. Технические характеристики робокар
Параметр	«Электроника»	«Электроника» с роботом	МП-12Т	Конструкция ИАЭ имени И. В. Курчатова	Конструкция Киевского политехнического института
Длина, мм	2200	1620	1700	2000	800
Высота, мм	350	2400	1050	1500	1500
Ширина, мм	800	600	1800	1000	600
Масса, кг	300	190	850	1000	200
Скорость перемещения, м/с	0,5	0,5	0,5	2	2
Точность позиционирования, мм	± 10	±4	± 10	± 1	+ 3
Грузоподъемность, кг	до 500	до 51	до 200 (робот до 20)	до 10	до 20
Потребляемая мощность, кВт	0,75	0.8	—	3	—
Информацию о маршруте движения робокара получают на станциях останова, размещенных у склада и оборудования, посредством оптоэлектронной системы обмена информацией без электрического контакта.
Автоматическая транспортная тележка (робокар) типа МП-12Т со смонтированным на ней промышленным роботом показана на рис. 10.6, б. Робокар предназначен для систем межоперационного транспортирования поддонов общей массой до 200 кг. Робокар состоит из подвижной грузовой платформы на четырехколесном шасси и промышленного робота, которые управляются бортовой микроЭВМ «Электроника-60». Конструкция тележки и робота модульные, рассчитанные на несколько модификаций. Трасса движения обозначена в виде светоотражающей полосы, для слежения за ней предусмотрены специальные датчики. В передней части подвижной платформы установлено устройство, обеспечивающее безопасность движения. Справа на борту платформы находятся датчики распознавания объекта и коррекции.
Электроробокар, разработанный в Киевском политехническом институте, показан на рис. 10.6, в. Он предназначен для транспортирования заготовок и деталей общей массой до 20 кг. Робокар выполнен на базе стандартных узлов с трехколёсным шасси 7. Электромеханический привод главного движения 8 представляет собой электродвигатель постоянного тока с планетарным редуктором. В приводе поворота 4 использован волновой мотор-редуктор с электродвигателем постоянного тока при напряжении питания 24 В. Питание электродвигателей главного движения и привода поворота осуществляется от аккумуляторов 6.
292
Грузовая платформа 5 представляет собой поворотный стол с двумя фиксированными положениями. Загрузочное устройство - пневматический манипулятор с двумя степенями подвижности. На грузовой платформе может быть установлено две кассеты с заготовками. Воздух или масло подводится к манипулятору через узел стыковки.
Система управления 9 основана на использовании иерархической структуры с тремя уровнями. Общесистемный или стратегический уровень реализован на ЭВМ СМ-4, тактический и исполнительный - на микроЭВМ «Электроника-60», смонтированных внутри электрокара.
Система сложения за маршрутом 1 оптоэлектронного типа. Задача движения по трассе реализована с помощью комбинированной системы слежения, включающей в себя индуктивный и два оптических канала. Безопасность перемещения обеспечивается тактильной системой блокировки 3. Локационная система стыковки 2 обеспечивает распознавание и стыковку робокара с технологическим оборудованием.
Робокар системы Flexmatic (Франция) приведен на рис. 10.6, г. Электрокар имеет электронное оборудование, расположенное в корпусе 1 и обеспечивающее следование по трассе. Маршрут определяется и оптимизируется ЭВМ согласно типу детали, установленной на платформе 2, технологической последовательности ее обработки и возможным вариантом передвижения. Трасса представляет собой изолированный электрический кабель 4, проложенный в полу на глубине 2 см. Этот кабель является проводником электрического тока определенной частоты. Переменный ток возбуждает магнитное поле, которое воспринимается катушкой, установленной на робокаре, и далее следящей системой управления каром. Установленные в грунте и на карах контакты обеспечивают обмен информацией между карами и ЭВМ.
Привод электрокара электрический и работает от аккумуляторов с запасом работы на 4-5 ч. Скорость передвижения по трассе 0,75 м/с при массе транспортируемого груза 1500 кг. Аккумуляторные батареи электрокара установлены в специальных контейнерах 3.
Робокары снабжены двигательным управляющим агрегатом со следящими системами скорости и положения по отношению к направляющему проводу, эмиттерами и приемниками для диалога и телеуправления, логической схемой, которая управляет робокаром исходя из получаемых команд.
Робокары являются примером широко универсального автоматизированного транспортного средства, которое можно использовать для транспортирования обрабатываемых заготовок и других грузов в гибких производственных системах различного технического назначения.
Комплексы с робокарами для транспортирования обрабатываемых заготовок позволяют повысить гибкость их компоновки и сконцентрировать на одном участке с расположением оборудования, более удобным для обслуживания оператором, чем при применении автоматических транспортных тележек, перемещающихся по рельсовому пути, или других напольных транспортных средств.
Гибкая производственная система фирмы Shin Nippon Koki Ко, Ltd (Япония) для обработки крупногабаритных деталей показана на рис. 10.7. ГПС предназначена для обработки деталей судовых дизелей шести наименований с максимальными размерами по длине 2200 мм, ширине 900 мм,
293
5
Рис. 10.7. Гибкая производственная система фирмы Shin Nippon Koki Ко, Ltd (Япония)
высоте 900 мм и массой до 2000 кг. В ГПС входят механический цех 6, в котором установлено три многоцелевых станка 5 и имеются позиции накопления 4 приспособлений с роботом перегрузки (робокаром) 3, загрузки-разгрузки и переналадки 8, накопления поддонов-спутников 1 заготовок, а также робот-перегрузчик заготовок (робокар) 2.
Для транспортирования заготовок и приспособлений используются два промышленных робота (робокара), совершающие продольное и поперечное движения с помощью установленной под полом ведущей индукционной антенны. Робокары 2 предназначены для транспортирования заготовок и поддонов общей массой до 4000 кг. Они транспортируют поддоны с заготовками от позиций 8 и 1 к механизмам автоматической смены заготовок многоцелевых станков 5, а также транспортируют поддоны с обработанными деталями на позицию накопления поддонов-спутников 1.
Робокар 3 для перевозки приспособлений малогабаритен и высокоскоростной (мини-робот). Он предназначен для транспортирования приспособлений с позиции накоплений 4 по станкам 5 ГПС и обратно. Вся ГПС управляется из компьютерного пункта 7.
10.3.	Промышленные роботы
Промышленные роботы являются универсальным средством комплексной автоматизации производственных процессов. При автоматизации металлорежущего оборудования с помощью промышленных роботов устанавливают заготовки в рабочую зону станка, снимают детали со станка и раскладывают их в тару (накопитель), передают от станка к станку, кантуют детали (заготовки) в процессе обработки и транспортируют их, очищают базовые поверхности деталей и приспособлений, меняют инструмент и осуществляют другие операции.
По характеру конструктивного исполнения и связи со станком различают роботы стационарные (напольные), подвесные (установленные непо-294
средственно на станке, подвешенные на специальной опоре портального или консольного типа) и передвижные.
По грузоподъемности промышленные роботы делят (ГОСТ 25204-82) на роботы сверхлегкие (0,08...1,0 кг), легкие (1,25...10 кг), средние (12,5...200 кг) и тяжелые (250...1000 кг). По типу силового привода рабочих органов различают роботы с гидроприводом, пневмоприводом, электроприводом и комбинированным приводом.
Промышленные роботы могут работать в различных системах координат: декартовой (прямоугольной), цилиндрической, сферической и смешанной.
В транспортных системах промышленные роботы выполняют операции по транспортированию обрабатываемых заготовок, их накоплению, обслуживанию складского оборудования и другие операции. Кроме того, применяют и автооператоры, которые представляют собой относительно простые непрограммируемые автоматические манипуляторы, предназначенные для выполнения одной заданной операции.
К промышленным роботам, работающим в гибких производственных системах, предъявляют дополнительные требования проведения работ в автоматическом режиме как при основных, так и при вспомогательных операциях; автоматической перенастройки при смене предметов производства по управляющим командам; возможности осуществления управляющего воздействия на основное технологическое оборудование; высокой надежности.
В гибких производственных системах применяют промышленные роботы различного конструктивного исполнения. На рис. 10.8 показаны промышленные роботы с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема. Роботы работают в цилиндрической системе координат. Они могут быть с одной и с двумя механическими руками. Рука робота представляет собой пневмоцилиндр с выдвижным штоком, на конце которого закреплено захватное устройство. В основании установлены механизм поворота вокруг вертикальной оси и механизм вертикального подъема руки.
Рис. 10.8. Промышленные роботы с выдвижной рукой и консольным механизмом подъема: а - исполнение 7; б - исполнение 2; в - основные движения руки робота
Консольный механизм подъема обеспечивает сравнительно малый ход руки по высоте, поэтому большинство разработанных конструкций относится к специальным и специализирующим моделям, предназначенным для выполнения простейших загрузочных операций. В основном эти роботы имеют пневматический или электромеханический привод.
295
Промышленный робот с горизонтальном выдвижном рукой, установленной в подъемной каретке, показан на рис. 10.9. Робот работает в цилиндрической системе координат. В промышленных роботах такого типа применяют различные приводы рабочих органов (гидравлические, электромеханические и др.), а также все известные виды систем управления. Они обеспечивают широкий диапазон перемещений механической руки при числе степеней подвижности от 3 до 7.
Рис. 10.9. Напольный промышленный робот с горизонтальной выдвижной рукой и подъемной кареткой
На рис. 10.10 показан промышленный робот с выдвижной рукой, работающий в сферической системе коорди
X
Рис. 10.10. Напольный промышленный робот с выдвижной рукой, работающей в сферической системе координат
нат. Рука 1 может поворачиваться в вертикальной плоскости, выполнять горизонтальный поворот и продольное перемещение, а кисть 2 с захватом осуществлять вращение и наклон, так что вместе с движением захвата рука робота имеет шесть степеней подвижности.
В сферической системе координат работают также напольные промышленные роботы с многозвенной рукой (рис. 10.11). Роботы такого типа обычно универсальны. Основные их достоинства - компактность и расширенная зона обслуживания при малых габаритных размерах.
Рис. 10.11. Напольные промышленные роботы с многозвенной рукой: а - исполнение 1; б - исполнение 2; в - исполнение 3
296
Подвесной промышленный робот М10П62.01 (рис. 10.12) предназначен для обслуживания станков с горизонтальной или вертикальной осями шпинделя. Робот выполнен по типу механической руки и может быть закреплен на станке в различных положениях в зависимости от схемы загрузки последнего. Его можно использовать для обслуживания токарных
Рис. 10.12. Подвесной промышленный робот М10П62.01:
1 - захват; 2 - механическая рука
станков 16К20ФЗ, 16К20Т1, 1717Ф, токарно-револьверных 1В40Ф30, зубофрезерных 53А20Ф4 и др. Управление осуществляется позиционной системой, при этом программируются движения по трем координатам. Робот, как правило, работает с приводными входными и выходными накопителями, но возможна его работа и со стационарной многопозиционной тарой, с расположением позиций по окружности.
Портальные промышленные роботы (рис. 10.13) широко применяют в ГПС для обработки деталей типа валов. Широкое внедрение портальных
Рис. 10.13. Портальный промышленный робот М20Ц:
1 - монорельс; 2, 3 - руки; 4 - каретка
297
промышленных роботов объясняется возможностью объединения в автоматические системы практически любого технологического оборудования и создания гибких, мобильных автоматических линий как с фронтальным, так и с поперечным расположением основного технологического оборудования. Их преимущества заключаются в экономии производственной площади и удобстве обслуживания оборудования. Питатели промышленных роботов приведены на рис. 10.14.
Рис. 10.14. Варианты исполнения механических рук портальных промышленных роботов: а - исполнение 1; б- исполнение 2; в - исполнение 3; г - исполнение 4
Промышленный робот М20Ц (рис. 10.13) построен на агрегатной основе и предназначен для выполнения операций загрузки-выгрузки металлорежущих станков и другого оборудования.
Роботы выпускают восьми модификаций, отличающихся компоновкой обслуживаемого оборудования, характером (серийностью) производства, в котором это оборудование применяют, числом механических рук (одна или две), наличием движения наклона руки и кантователя. Все движения исполнительных элементов роботов могут осуществляться в любой последовательности и независимо друг от друга. Очередность их выполнения устанавливается кнопочным набором программы на пульте системы управления промышленного робота. Максимальная масса загружаемой заготовки 10 кг.
Технические характеристики промышленных роботов приведены в табл. 10.2 - 10.6.
Гибкий производственный модуль (рис. 10.15) включает токарный станок с ЧПУ 2 модели 1720ПФ30, промышленный робот 1 модели М20П.40.01, магазин инструментов 4 барабанного типа и тактовый стол 3 для обрабатываемых заготовок.
При работе в системе автоматизированного комплекса промышленный робот выгружает обработан
Рис. 10.15. Гибкий производственный модуль с роботом напольного типа
298
ную деталь и загружает заготовки, которые подаются в ориентированном положении тактовым столом 3. Смена режущего инструмента при его затуплении или поломке, а также при смене объекта обработки производится по программе промышленным роботом.
Модуль фирмы Heinemann (Германия) (рис. 10.16) предназначен для обработки деталей типа тел вращения. В него включены два токарных станка с ЧПУ 2 и 7 и загрузочно-транспортное устройство (автоматический манипулятор портального типа с плоским порталом). Автоматический портальный манипулятор имеет два загрузочно-транспортных питателя 3 и 5, которые перемещаются в продольном направлении по направляющим 7 и в поперечном - по направляющим траверсы 4. Питатель 3 предназначен для загрузки тяжелых грузов массой до 500 кг, а манипулятор 5 для более легких - до 75 кг. Оба питателя снабжены быстросменными приспособлениями для замены различных клещевых захватов с электромеханическим приводом. Питатели служат как для автоматизации выгрузки-загрузки обрабатываемых заготовок, так и для автоматической замены инструментов и зажимных кулачков патронов шпинделей станков. Заготовки и обработанные детали укладываются в магазинах 9 и 70, зажимные кулачки и захваты питателей находятся в магазине 8.
Рис. 10.16. Гибкий производственный модуль фирмы Heinemann (Германия)
В системе имеется два барабанных инструментальных магазина 6 на 240 инструментов. Каждый барабан выполнен с 24 осевыми сегментами. В сегменте имеется пять гнезд. Сегменты быстросменные, что позволяет производить быструю смену инструментов при подготовке производства.
Станки и загрузочно-транспортное устройство управляются от центральной ЭВМ.
299
00 £
СНГ										Страна-изготовитель		
МП-9	РФ-201М	Ритм 01.03	Ритм 01.02	Ритм 01.01	КМ.0.08Ц. 42,11		МРУ-901		ю	Модель робота (фирма)		
о		о м	о ьэ	о к*	о о 00		о о ю		UJ	Грузоподъемность, кг		
		4^>	и»						фь	Число степеней подвижности		
				>—					и»	Число рук		
л							и		04	Привод		
										Система управления		
				и»	ьэ				00	Число программируемых координат		
По упорам									4©	Способ программирования перемещений		
о	и»	4©			04				О	Емкость памяти системы управления (число команд)		
о ю	о о	О к*					о К) ю		•—*	Погрешность позиционирования, ± мм		
и» о	6	и»			ю о о		00 о		ьЗ	Наибольший вылет руки, мм		
о	о	о *•		и» о	о *• 04	ГЗ	о *•	1 ®	33	N	Скорость, м/с	Линейное перемещение, мм
о Ъэ	и» о	о		и» о	1							
1				150 0,17	1				и»			
NJ ГЗ О о	ГЗ ГЗ о о	UJ о		ьэ ю о	о о	00 О	CS о	20-90	04	•в	Угловая скорость, %	Угловое перемещение, 0
	UJ Н-©4	00 о о	40 о		00 о	1					р		
									00			
н—			ю						4©	Исполнение		
NJ	ю 00	ьэ NJ	UJ ю ю	ю 00 О	04 О		ю 00		N) О		Габаритные размеры, мм	
	ю о	UJ UJ и»		UJ UJ и»	UJ и» о		04		NJ			
Ю ьэ о	ю о о	ьэ ю о		ю ю о	ю 04 о		ь (. 4	□ ♦э Л	Ю Ю	to		
о	о	ю 40	UJ	UJ о			33		Ю U)	Масса, кг		
10.2. Технические характеристики напольных промышленных роботов с выдвижной рукой и консольным механизмом подъема (см. рис. 10.8)
Продолжение табл. 10.2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
СНГ	РС-1	0,3	5			П	4		50	0,03	910	50	255 0,6		90 120	180			1140	275	600	40
	Ритм 05.01	1	6	2		Ц	5		19	0,1	905	0,5	400 1,0	300 0,6		180		2	755	500	800	326
	КМ1, 25Ц.42.16	1,25					4		90		1250	80 0,9	500 1,5		180 360	180 360			830	950	600	280
	М-75	1,5	5	1					16	0,5	2080	200 0,5	1000 0,5	200 0,5	180 90	180 90		1	1450	750	1250	350
Германия	Robotek-1 (Liebherr) Robotek-2 (Liebherr)	12 25	6	1	Э	П	6	Обучение	32	0,5	1525	200 0,3	750 1,0	300 0,3	360 190	360 180	90 90	1	960	950	750	450
	Transfer-Automat E (“Vew-Fokker”)	15	4				4		30	1,0	1400	350 0,6	1000 1,0	—	250 100	350 180	—					
	Einfach-Hand Abungsgerate (“Vew-Fokker”)	12				Ц	3		16	0,3		350 0,5	1000 0,8	—	270 100	180 180						
	Autoplace (Auto-Place)	4,54			П	П	4		16	0,076		76	305	—	270	270						14
США	Sinchrotran-ce (Sinchro-trance)	9							24	0,75	1000	100 0,5	500 0,75	—	90 225	90-180			1240	1260		
																600						
	Transiva (BR Talore)	45			Г					1,5		305	610	—	240	—			1440	1035		
Окончание табл. 10.2
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23
	Япония		RB-50 (Yasui Sangvo Со, Ltd)	25	6	1	Г		6	Обучение	45	2,0	1650	600 0,40	500 0,5	—	220 60	180 90	90 90	1	1600	2000	950	1400
	SR-25 (Shinto Electric Co)	25 (36)	4		П		4		24	1,0	924	300 0,5	600 0,5		200 90	180 180	—		1470	1155	780	800
	Type KMR-2 (Kayaba Industry Co, Ltd)	40	4		г				32	1,0	1185	250 0,25	500 0,35	—	240 60	180 60	—		1235	600	1000	480
	RBH-50 (Va-sui Sangyo Co, Ltd)	50 (60)	5				5		48	1,0	1600	1200 0,40	1100 0,50		220 90	—	90 90		1000	1600	800	750
	HI-MATE MODELES (Kuroda Prectsioh)	8			п	П	4		24	0,2	—	200 0,20	400 0,40		270 90	180 360			1208	1035	650	510
	SVNCH RO-TRANS (Ke-jaishf Mfg Ltd)	10	4						360	0,1	1000	100 0,50	500 0,7		180 220	90-180			1010	1237	500	620
																600						
	RB-10(Vasuj Sangyo Co)		6		г		6		—	0,1	1100	300 0,5	250 0,5		220 60	180 90	90 90		1100	1200	300	700
СНГ											Н—*	Страна-изготовитель		
М20П40.02	н ь с н с <:	X 5 3 э	МАН-63С		0	2 1	Итэкар		РФ-1001 с		NJ	Модель робота (фирма)		
NJ О			О'						Н—*		U)	Грузоподъемность, кг		
			4^		4^						4^	Число степеней подвижности		
			4^		4^>				U1			Число программируемых координат		
и					и		и 1 д				О'	Привод основных движений		
												Система управления		
Обучение											00	Способ программирования		
о о					NJ и»		0008		U) О'		40	Емкость памяти системы, число команд		
о			о		4» о				о 4» L/1		Н—* о	Погрешность позиционирования, ± мм		
2160	1844		1495		1300		ООП		1000		►—* Н—*	Наибольший вылет руки, мм		
01 ООП	о	00 о о	о	О' NJ	о	О' о о	р Ъ1	О о	р La	L/1 О о	Н—* NJ	>8	Скорость, м/с	Линейное перемещение, м/с
1											►—*			
1														
р V»		L/1 о о	о U)		О' О о		о	U1 о о	о NJ	о о	►— сл	N		
О' о		О о	о	NJ и»	40 о	NJ О		nj о	О' О	N) О	04	-е	Угловая скорость, град/с	Угловое перемещение, 0
О' о		00 о		00 о	40 о	00 о	LA	NJ о	N) О О	U) О' о	>—	р		
О' о		40 О							NJ О о	NJ О о	00			
2359			1450		1800		1700		1200		40	й;	Габарг	
о о			1480		40 О		1000		0001		N) О			э Е л> тз р
О' о			Н—*		Qi		1000		о о		N>	Схз	змеры,	
и» о			о о		Н—* NJ О		L/1 О О		о о		NJ NJ	Масса, кг		
10.3. Технические характеристики напольных промышленных роботов с горизонтальной выдвижной рукой и подъемной кареткой (см. рис. 10.9)
Продолжение табл. 10.3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
и	СМ40Ц40.1 1	40	4	3	Г	п	По упорам	150	1,5	672	760 0,5			760 0,2	240 60	180 90		2840	1400	950	1400
	С75О5.ОЗ	250	4	3	Г	п	Обучение		3	1580	760 0.5		—	1500 0,5	315 45	180 60		2720	1365	1060	3000
Италия	РО1	20	4	4	п				0.2	1200	750 0,5	—		575 0.5	180 120	90 120	—	1780	0=900		
	RBT20	40	5	5	г				1,0	1500	800 0,8			150 0.25	180 30	180 90	30 90	2200	1550	800	
	ORCA	50	3	3						1055	850 0,8	п -100		650	—	—	—		660	600	
	JOB’oT-lO	50-70	5	5	э				0,25	2500	1170 0.6	—		1000 0,5	300 60	350 60	180 60	243	2100	800	2400
	Elfin	60	6	6					1,0	1300	600 0,35		1500 0.35	800 0,35		400 90	190 90				
	RE-3	3	3	3	п		По упорам	20	0,5	1400	750 0,6		100 0,08	—	—	90 80	—	350	850	1100	590
	S-300	23	5	5			Обучение		1,27	762	560 0,9			305 0,9	180 1000	180 90	180 90				
Окончание табл. 10.3
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13 ,	14	15	16	17	18	19	20	21	22
Италия	М-1200 L-2400	45 68	5	5	Г	ц	Обучение	60	1,27 1,27	1524 2134	762 0,9 1067 0,9			762 0,9	220 90	180 90	180 90				
США	Versatran E-EHV Versatran E-ESH	55	6	6	Г	п-к		10	1,6	1442	762 0,9	До 4000 -0,46	—	762 0,9	240 90	300 90	270 90	1885	1098	686	262
	Versatran E-ESV										—			762 0,9							
90£
		Польша		СНГ								1—‘	Страна-изготовитель		
Unimate-2100		h Н С < с	с 5* 0 э э э	Универсал 6011		Универсал 601		Универсал 50М		Универсал 15М ч		NJ	Модель робота (фирма)		
		OS о		OS о				и» о		и»		UJ	Грузоподъемность, кг		
		UJ 1 OS		OS				и»		OS			Число степеней подвижности		
		UJ 1 Os		OS				<л		OS		<_Л	Число программируемых координат		
				,1				и 1 1 2		Э-М		OS	Привод основных движений		
□		□		□									Система управления		
Обучение												00	Способ программирования		
со		NJ и»				< < £ о а я а я § g « 2 g н			Комплектуются			SO	Емкость памяти системы, число команд		
NJ и»		NJ		о м UJ								О	Погрешность позиционирования, ± мм		
2838		2300		2100		2044		1810		2294		И—	Наибольший вылет руки, мм		
о м и»	1350	о м и»	00 О о	О OS	1000	о	1000	о so	SO О	о	1000	NJ		Скорость, м/с	Линейное перемещение, м/с
				о NJ	О О	О О 00	О О			О NJ	О О	UJ			
						1						£			
О	NJ NJ О	о	NJ NJ О	SO О	UJ О	и»	UJ О	UJ OS	UJ О	и» О	UJ О	и»	6	Угловая скорость, град/с	Угловое перемещение,0
и» nj		Os о	+ 30-27	NJ О	и» о	О |	О	NJ О	и» о	NJ О	и» О	OS	ф		
<	ч) ч)	Os о	NJ NJ О	О о	SO О	00 1 ° 1	SO О	SO О	NJ О о	О	SO О О		"U0		
		о	NJ NJ О	NJ О	UJ OS о	SO О	UJ OS о	00 О	UJ OS о	00 О	UJ OS о	00	р		
NJ О о		с t <	5s ч)	1260		4260		1300		1440		SO	й;	Габаритные размеры, мм	
	1	1310		1440		1440		1300		1440		NJ О	ь»		
1 1 <	3 ч) Э	1300		1670		1670		1600		1600		NJ	to		
OS о о		1160		2300		2300		1500		2100		NJ NJ	Масса, кг		
10.4. Технические характеристики напольных промышленных роботов с выдвижной рукой работающих в сферической системе координат (см. рис. 10.10)
Продолжение табл. 10.4
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
Англия	Unimate-2000 91DP; Space-Saver	70	6	6	Г	П	Обучение	В	1,25	2013	1050 0,75	—	—*	220 ПО	57	220	300 ПО	1200	915	1220	1600
	Unimate-2100 Space-Saver								1,25	2838	1350 0,75	—	—	220 ПО	52	220		1200	915	1220	1600
	Unimate-4000	175							2	2929	1300 0,75			200 65	50 35	230		1292	1575	1372	2050
Италия	Auto-Mate	5	6	6	П	П		63	4,0	—	609		380	90-120	10	—	180				
	Robot Sprayer	13,6	5,6	5	Г	К				2103	914 1,7	—	—	85	70	210	•—				568
	Robot Welder	13,6	6	5					1,0	2050	882 0,15	—*		82 30	48 30	180	—				560
	Little Giant	30	5	5		П		•—	1,0	1950	860	—*	—	240	60	180	270	1302	610	610	
	Pola r- 6000	60	6	6		у	От ЭВМ	—	1,0	2980	1300 1,0	—	—	210 86	50 37	240	360 172	1400	—	1340	3700
	Pra b - 4200	34	5	5			Обучение	в зависимости от типа СПУ: 24,30 или 60	0,7	2541	1060 1,0			270 90	20 15	90 45	90 180	1372	1435	889	—
	Pra b - 4200H	57																			
	Pra b - 5800	23									1470 1,0										
	Pra b - 5800HD	45																			
США	Unimate - 2000	35-61	5-6	5-6	г			В зависимости от типа	1,27	2013	1040 750				57 36	90 45					1589
	Unimate 2000B	136							1,3												1271
	Unimate 2000C	136	—	4					—	2013								1200	1594	1219	1000
Окончание табл. 10.4
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
США	Unimate 2005F	—	—	4	Г	и л и К		СПУ: 128, 256 512, 024 1024 и более	1,27	2838	1350 750	—	200 100	220 НО		220 НО	300 НО				1318
	Unimate 2005Н														57 35						
	Unimate 2100	50-70	5	4					1,27	2838	1350										
	Unimate 2100В	136	5	4					1,3	2838	1350										1045
	Unimate 2100C	123	5	4					2,03	2838	1350				57 36						—
	Unimate Space Saver 2000	45-68	5	4					1,27	2013	1066							—	—	—	
	Unimate Space Saver 2100	45-68	5	4					1,27	2838	1371				52 35						
Япония	Kawasaki Unimate 2000	35	5	5	Г		Магнитный	180	1,0	2418	1041 0,762	—	—	220 НО	+ 30...-27	220 НО	360 но	1435	1620	1230	1500
	Kawasaki Unimate 2030C	35	5	5		К	Маг-нит-ная про-ВОЛО-ка	512	1,0	2418	1041 0,762			220 НО		220 НО	360 но	1435	1620	1230	1500
	Kawasaki Umimate 2040	35	5	5		П		512	1,0	2418	1041 0,762	—	—	220 ПО	30	220 НО	360 но	1435	1620	1230	1500
	Kawasaki Unimate 2030P	35	5	5				512	1,0	2426	895 0,625			220 НО		214 НО	250 НО	1640	1320	1220	1800
	Kawasaki Unimate 2600	35-75	6	6			Магнитный диск	180	1	2476	895 0,762	—	—	220 НО	+ 30... - 27 90	220 НО	360 НО	1550	1620	1230	1600
Швеция			Италия						СНГ	-1			Страна-изготовитель		
Asea IRB-6		Я О ст о	Spraying	1 t <	в 4J 1 Q О	(Basfer)	Painter	ПРК-20	Контур		§ Л □	bJ	Модель робота (фирма)		
04		4л) 04		<	/1 О	t	У1	bJ о	4л>			Lb)	Грузоподъемность	», кг	
4/1		(	Z1		0	14		04	04	4/1		Ф*	Число степеней подвижности		
Ь/				4>J				«				4/1	Исполнение		
				(	£				и 1			04	Привод основных движений		
	5	>		И	а				1				Система управления		
о		<	О	о 4/1		<	0		UJ			00	Погрешность позиционирования,	± мм	
1159		Ь/ О		2600		Ь С с	о о о		2000	2080		40	Наибольший вылет руки, мм		
ЧО 4/1	4л> о	LA	00 о	04 О	Ь/ О	04 О	40 о	00 о * м	40 О * bJ	* bJ		о	-е		
		Ь/ О	00 О	40 О	1— 4/1 О	40 О	NJ О	40 О * м	bJ о * bJ	bJ о * bJ			-е ю		
4Л	4л> Ch о			4л> о	4л) 4У1 О			Ь/ Ь/ О * bJ	bJ о * bJ	bJ о * bJ		bJ	р	Углова?	Углово<
00 О * и»		40 О	04 о	04 о	о о	04 О	04 О	40 О * м	40 О * bJ	bJ		LP	ф	[ скоросп	е смеще!
С 4,	Л Л1 * и»	40 О	4/1 4/1	04 о	ф	04 О	<7> 4У1	40 О * bJ	40 О * bJ	bJ			ф bJ	р2	S Л О
00 о * и»				04 О	Ь/ О о	40 О	Ь/ о	1	bJ о * bJ	1		<-Л	ф		
1		Ь/ О	00 О			40 О	Ь/ О	1	1	1		04	ф -ь		
1150						04 4У1 О		1	1	4С С 4/	> > 1		й:	>	Габаю
Ь/						40 00 О		1	1	ос с с	3 > >	00	N	S S h	i S Л о
Ch Ь/						40 00 О		1	1	ОС с с	3 > >	40	to	И	азмепы.
4/1 О О		4 С С	Л b Ю	00 о о		4У1 40 О		40 О О	1	с	। >	bJ о	Масса, кг		
10.5. Технические характеристики напольных промышленных роботов с многозвенной рукой (см. рис. 10.11)
Продолжение табл. 10.5
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Швеция	Asea IRB-60	60	5	2	Э	П	0,4	2288	330 90	—	360 150	70*4	65*4	150 90	—	1600	800	800	950
	Coat-a-Matie	15	6	1	Г	К	4,0	2185	135*2	210*2	360*2	90*2	90*2	210*2	—	940	700	700	250
Норвегия	Trailfa-3000S	14		1	Г	К	1,0	2185	98*2	210*2	210*2	<31 *	68*2	21 О*2	—	1750	750	750	450
	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Япония	Mirsubishi-iwata	3	6	1	г	К	2,0	2200	70*2	210*2	21 О*2	77*^	77*^	90*2	—	1950	710	710	800
Примечание. Метод программирования - обучение.
♦	‘ Основание робота может перемещаться по рельсам на 1500 мм.
♦	2 Максимальная рабочая скорость руки робота при сложении всех угловых движений до 2 м/с.
♦	3 Скорость руки робота при сложении всех угловых движений: до 1,1 м/с (вверх-вниз) и до 0,75 м/с (вперед-назад).
♦	4 При сложении всех угловых движений скорость (м/с) руки робота, до 1,5 м/с (вверх-вниз) и до 1,0 м/с (вперед-назад).
СНГ												Ж*	Страна-изготовитель		
g о □ о и» О UJ	М40.П.05.02		СМ40Ф2.80.01		РС-40-Ц		РС-25П	► с < ь ». с	2 ю о ч) л 0	ь с с с	2 Ю 0 0	bJ	Модель робота (фирма)		
о			о		о		NJ и»	00 О		00 о		U)	Грузоподъемность, кг		
-U	<-Л				Ui		О'	и>		UJ			Число степеней подвижности		
					1—			Ж		ж		и»	Исполнение		
ж			ж*		Ж*			Ж*		ж		О'	Число рук		
ж*			ж		nj			bJ		bJ			Число захватных устройств на одной руке		
*4												оо	Привод основных движений		
□												40	Система управления		
Обучение								73 В) 3 3 2 0© ь				О	Способ программирования		
0,5 Кбайт								80 команд		20 команд		Н-*	Емкость памяти ‘системы управления		
о			о '-Л		р ♦«л		о V* V»	о UJ		ж VI		bJ	Погрешность позиционирования, ± мм		
1520			1900		Cj о		о О	1500		00 о о			Наибольший вылет руки, мм		
о 00		10800	о 00	о о о о	о 00	3100	3100 0.8	о 00	3600	о NJ	2070	£		Скорость, м/с	Линейное перемещение, мм
о о©		1500	Й	3000	1		1	1				►Ж к*			
о		ft о	1000		о	и о о		о VI	1000	о bJ	u> bJ о	о	»»		
О °		Ж* 00 г о	u> о	ж* 0© о	•U М»	0© о		\О I ° 1	00 о			•*4	р	Угловая скорость, град/с	Угловые ( перемещения, град.
1		О о	о	ЖВ оо о	1		1	1		« 1	v>	оо	ф		
nj			ж* NJ		U •л о			V» '4 '-Л		bJ NJ		чэ	Длина монорельса, м		
3000			3400		3000		2850	2220		NJ 00 О		bJ О	Масса, кг		
10.6. Технические характеристики портальных промышленных роботов (см. рис. 10.14)
Продолжение табл. 10.6
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
СНГ	УМ160Ф2.81.01	160	4	4	1		Г	П	Обучение	0,5 Кбайт	0,5	2300	16000 1,2	2560 1,8	1200	180 90	180 30	18	6500
	СМ60Ф.05.01	320	3	3	2	1					0,5	1800	8900 0,8	—	970 0,3	—	60	12	6500
Чехия	M63-OL	20	3	1	1	2	Г	П	По упорам	64 команды	0,5	800	4000 0,8	—	800 0,5	—	180 90	4,7	1300
	М63-ОН	63	2	2	2	1					1,0	500	4000 0,6	—	500 0,3	—	—	6,8	1300
	М63-ОР											800	3000 0,6	—	800 0,5			4,8	1350
Япония	ТСА-5	5	2	1;2; 3 (no зака-зу)	1 или 2	1	П	Ц		16 точек	0,1	300-600	300 - 800	—	300-600	—	—	2,5	600
	ТСА-12	12																	
													0,3		0,3				
	ТСА-25	25																	
	Tyrc-RC	60	3							50 точек	0,2	800	1300 0,5		750 0,5	180 60	—	1,5	
	Motohand	30 или 70	3	1					Обучение	24 точки	0,1	500	1500 0,3	—	500 0,3	180 60	—	1,8	180
	Motoloader	60	2	i;2 или 3 (по зака- ЗУ)	1 или 2	1	Э	п		32 точки	0.5	400	500 0,2		400 0,2	—		1,8	
	Machinehand	120	3			1				32 точки	1,5	500	1000 0,2	—	500 0,15	—	—	1,2	
	Electrohand	200	4							25 точек	0.5	500	7000 0,3	—	500 0,3	180 90	90 90	10.0	500
При создании новых конструкций промышленных роботов определенного технологического назначения определяют степень универсальности и, исходя из размеров пространства, которое должен обслуживать робот, выбирают его кинематическую структурную схему и назначают горизонтальные и вертикальные перемещения и углы поворота руки. Одним из наиболее важных факторов является требуемая точность позиционирования, на которую влияют размеры и масса перемещаемой детали, скорость и ускорение перемещений и др.
В зависимости от требуемой точности позиционирования скорость линейного перемещения при Lx = 0,05...0,8 мм, где Lx - вылет консоли руки робота, может быть определена по имперической формуле (рис. 10.17, а) [5]:
(юл)
где А/ - погрешность позиционирования, мм; Сд - масса объекта манипулирования, кг.
Рис. 10.17. Схема промышленного робота и механизма захвата с симметричными призматическими губками
С дальнейшим увеличением Lx возможности увеличения рхрасч уменьшаются и при Lx = 0,8...2 м.
(10.2)
Скорость вертикального перемещения руки обычно неодинакова при движении вверх и вниз. Однако при правильном уравновешивании масс эти отличия меньше, и скорость
(Ю.З) где az - коэффициент, зависящий от конструкции привода, при гидравлическом приводе az = 3; Lz - путь при вертикальном перемещении, м.
313
Допустимая быстроходность устройств поворота всей руки относительно вертикальной оси
шф=0^^8Д/(2Л)4,
(Ю.4)
где ®ср - угловая скорость, рад/с; <р - угол поворота руки, рад; 5 - погрешность углового позиционирования, угл. с.
Особое внимание при проектировании следует обращать на механизмы углового позиционирования. Там, где возможно по условиям компоновки, следует предпочтение отдавать механизмам линейного позиционирования.
Время перемещения, с, по различным координатам при трапецеидальном законе изменения скорости
(10.5)
где L - путь перемещения, м; «0 - скорость установившегося (равномерного) движения, м/с; К - коэффициент, зависящий от соотношения ускорений при разгоне и торможении.
Наиболее часто разгон и торможение осуществляется с одинаковым по модулю ускорением аы = 4...5 м/с2 при К= 1. Если вращательное движение рассматривать приведенным к определенному радиусу, то расчетная формула (10.5) будет верна как для вращательного, так и для поступательного движения.
При расчете механизма захвата промышленного робота учитывают схему силового нагружения захвата. На рис. 10.17, б приведена схема механизма захвата с симметричными призматическими губками, где Gn -масса детали; Мь Мг - удерживающие моменты относительно осей поворота губок; а, b - размеры рабочих элементов; D - диаметр детали; 0 -угол наклона траектории движения захвата; а - угол призмы; F„ - сила инерции, действующая на заготовку при радиальном перемещении захвата; М, М1, N2, N2 - нормальные силы, действующие на заготовку при ее зажиме призматическими губками.
На устойчивое положение детали во время ее перемещения существенное влияние оказывают ускорение при торможении, угол 0 между направлением движения захвата и вертикалью, угол 2а призмы губок, сила привода захватного устройства.
Силу привода захватных устройств определяют с учетом имеющихся схем нагружения для критического действия нагрузок. Для определения силы привода захватного устройства необходимо знать удерживающий момент относительно осей поворота губок [3]
SM=G4V к 8
Z>sina , . „ ------osinpcos2a + acos0 ,
И	/
(10.6)
где ц — коэффициент трения заготовки о поверхность губок. 314
Необходимую силу привода захвата определяют с учетом схемы нагружения. На рис. 10.18 приведены схемы механизмов захвата. Для клинового механизма захвата (рис. 10.18, а) сила привода
Р = 2>8(Г+Р)^	(ю.7)
ч
Для рычажного привода (рис. 10.18, б, в)
EMcos<p
-----—К.	(10.8)
/Т|2
Для реечного привода (рис. 10.18, г)
2\М
Р= К,	(10.9)
mZ т\3
где р - приведенный угол трения, р = 1°10 - при осях на подшипниках качения, р = 3° - при осях на подшипниках скольжения; T]i, т]2, т]з - КПД шарниров; г]i = 0,9; т|2 = 0,9...0,95; т|3 = 0,94; у - угол клина, °; у = 4...8; т -модуль сектора; z - полное число зубьев сектора (колеса); К = 1,6 при не-соосности е < 2,5 мм; К= 2 при е = 2,5...5 мм.
Рис. 10.18. Схемы механизмов захвата
10.4.	Перегрузочные устройства и накопительные системы многоцелевых станков
При обработке на ГПС деталей типа корпусов, рычагов, кареток и т.п. их обычно устанавливают и закрепляют на специальных приспособлениях-спутниках. В данном случае заготовки базируются и закрепляются либо непосредственно на спутнике, либо в специальном приспособлении, установленном на спутнике. Спутник вместе с обрабатываемой заготовкой перемещается от станка к станку ГПС без изменения закрепления и базирования. На спутниках выполнены специальные поверхности для базирования и крепления, согласованные с соответствующими элементами узлов фиксации и зажима, установленных на рабочих столах станков и оборудования транспортно-загрузочной системы.
На многоцелевых станках, встроенных в ГПС, для повышения их производительности используют специальные устройства, обеспечивающие автоматическую смену обрабатываемых заготовок, установленных в приспособлении на спутнике, вместе с транспортно-накопительными системами (магазинами) спутников. На столе станка имеются встроенные или накладные элементы для базирования и закрепления приспособлений-спутников.
На рис. 10.19 приведены схемы устройств автоматической смены приспособлений-спутников на многоцелевых станках с ЧПУ. В системах с челночным перемещением спутников (рис. 10.19, а) вдоль оси X одноместные загрузочные устройства располагают с двух сторон стола. Каждое загрузочное устройство выполнено в виде тумбы с конвейером, направляющими и приводами перемещения спутников. При смене спутника стол станка сначала перемещается по оси X к свободному загрузочному устройству для передачи спутника с обработанной деталью, а затем к загрузочному устройству, на котором находится спутник с новой заготовкой.
Рис. 10.19. Схемы устройств автоматической смены спутников на многоцелевых станках
Схема с параллельным перемещением спутников (рис. 10.19, б) вдоль оси Z более удобна для присоединения станков к общей транспортной системе либо к накопителю спутников с заготовками. Если стол станка не
имеет перемещения вдоль оси X то применяют двухместные загрузочные устройства, которые перемещаются вдоль оси X. Это осуществляется перемещением либо самого загрузочного устройства по направляющим, либо салазок по направляющим станины загрузочного устройства.
На рис. 10.19, в приведена схема с Т-образным расположением загрузочных устройств. В данном случае загрузочные устройства располагают по обе стороны стола станка в одном из крайних его положений по оси X. При такой компоновке загрузочных устройств перемещение спутников на обе платформы может осуществляться одним приводом.
Система с Г-образной схемой компоновки позиций загрузки спутников приведена на рис. 10.19, г. Два одноместных загрузочных устройства могут быть расположены вблизи одного из крайних положений подвижного стола станка под углом друг к другу (рис. 10.19, д). Такую схему применяют в станке с поворотным столом, так как это необходимо для совмещения транспортных направляющих стола с транспортными направляющими каждого из загрузочных устройств. Стол станка должен совершать поворот на угол, соответствующий углу между загрузочными устройствами. При этом зона доставки к станку (и от станка), а также зона работы оператора, устанавливающего и снимающего заготовки на приспособлениях-спутниках, более компактна.
На рис. 10.19, е показана схема со специальным загрузочным устройством челночного типа с одной загрузочной позицией, установленном перед станком. В данном случае требуется дополнительная площадь, зато система легко встраивается в автоматизированный комплекс.
Устройство смены спутников с одной позицией загрузки и двухпозиционным поворотным столом показано на рис. 10.19, ж. Данная система обеспечивает оператору хороший доступ как к станку, так и к позициям загрузки при замене и подготовке к обработке различных заготовок. Кроме того, система обеспечивает встраивание станка в гибкие производственные системы.
Накопитель спутников многоцелевых станков с многопозиционным поворотным столом и с одной позицией загрузки-выгрузки приведен на рис. 10.20, я, а многопозиционный накопитель спутников с поворотным столом и двухпозиционным поворотным перегружателем - на рис. 10.20, б. Многопозиционная система загрузки спутников при круговом расположении неподвижных позиций загрузки-выгрузки дана на рис. 10.20, в. В данном случае тип механизма перегрузки спутников поворотный, и в зависимости от программы такой механизм может произвести операцию загрузки с любой позиции системы.
При линейном расположении позиций загрузки-выгрузки (рис. 10.20, г) каретка перегружателя получает линейное перемещение вдоль позиций загрузки-выгрузки. Как при круговом, так и при линейном расположении позиций загрузки, на спутниках могут быть установлены различные заготовки и их можно обрабатывать в любой требуемой последовательности.
Компоновки одно- и многоместных загрузочных устройств выбирают в каждом конкретном случае, исходя из условий эксплуатации станков, например, планировки оборудования, направленности технологических потоков, схемы транспортирования обрабатываемых заготовок.
Спутники с закрепленными на них заготовками перемещаются специальными перегрузочными механизмами. Для примера на рис. 10.21 показан агрегат перемещения спутников при компоновке многоцелевого станка по схеме, приведенной на рис. 10.19, е. В верхней части основания 12 (рис. 10.21, а) сварной конструкции установлены направляющие 6, по ко-
Рис. 10.20. Схемы накопителей спутников многоцелевых станков
Рис. 10.21. Агрегат перемещения спутников
б
торым перемещается каретка, состоящая из двух секций 9, 11 и подставки 10. Две пары направляющих 5, установленных на поверхности каретки, предназначены для размещения двух спутников. На агрегате имеется два привода подачи. Один привод 8 расположен на боковой стенке агрегата и обеспечивает подачу спутника на рабочий стол 3 станка по направляющим 5 каретки и направляющим 4 кронштейна 2.
Второй привод 7 расположен на торцовой стенке основания 12 и служит для перемещения каретки. Пуск устройства в работу осуществляется от пульта 13. Привод подачи 8 (рис. 10.21, б) состоит из электродвигателя и червячного редуктора, на выходном валу которого расположена ведущая звездочка 14 подающей цепи 75 с захватным устройством 16. Цепь 75 может работать в тянущем и толкающем режимах. Перемещения спутника контролируются конечными выключателями.
По окончании обработки заготовки цепь 75 перемещается вперед и захватным устройством 16 при обратном ходе перемещает спутник с обработанной деталью на секцию 9. Далее каретка с секцией 9 движется по ос
нованию 12 вправо, а напротив цепи 15 располагается спутник 1 с заготовкой. При движении вперед спутник с заготовкой устанавливается на стол 3 многоцелевого станка. Затем цикл работы агрегата повторяется.
Многоцелевые станки, оснащенные механизмами автоматической смены обрабатываемых заготовок, вместе с накопителями спутников можно эксплуатировать как отдельные гибкие производственные модули, так и встроенные в ГПС.
На рис. 10.22 показан автоматизированный комплекс, в который входят многоцелевой станок ИР-500МФ4 с электрооборудованием 2 и системой ЧПУ 3, инструментальный магазин 1, автоматическое устройство 5 смены спутников, накопитель 4 спутников и устройство 7 смены инструментов в магазине станка.
Спутники б установлены на накопителе (магазине) 4 карусельного типа, вмещающем восемь спутников. Автоматическое устройство смены спутников - двухпозиционное поворотного типа. Во время обработки на станке заготовки, закрепленной на спутнике, спутник с новой заготовкой подается из накопителя 4 на устройство 5 смены спутников (правая пози-
Рис. 10.22. Автоматизированный комплекс на базе станка ИР-500 МФ4
ция). После окончания обработки детали стол станка перемещается в позицию смены заготовок, и механизм перемещения спутников подает спутник с обработанной деталью на левую позицию устройства 5 смены спутников. Дается команда на поворот стола механизма смены спутников на 180°. Затем спутник с новой заготовкой перемещается на рабочий стол станка, и начинается ее обработка. Во время работы станка спутник с готовой деталью перемещается в свободную позицию накопителя 4. Накопитель поворачивается, и в загрузочную позицию подается спутник с новой заготовкой. Далее цикл автоматической выгрузки-загрузки спутников повторяется. Наличие спутников на накопителе контролируется автоматически с помощью датчиков.
На рис. 10.23 приведена транспортно-накопительная система для спутников фирмы Hitachi Seiki (Япония). Конвейер-накопитель (магазин) 1 спутников цепной конструкции замкнутого овального типа имеет прерывистое одностороннее перемещение от привода 2. С помощью механизма 3 спутник 4 из магазина передается на трехпозиционное челночное устройство 7, обеспечивающее автоматическую смену спутников на многоцеле-
Рис. 10.23. Цепной конвейер-накопитель спутников
вом станке 5. Челночное устройство передает спутник с заготовкой из позиции А в позицию Б стола 6 и далее в позицию Г на обработку. После окончания обработки спутник с обработанной деталью перемещается в позицию Б и далее в позицию В. В это время спутник с новой заготовкой перемещается из позиции А в позицию Б и далее в позицию Г. После того как спутник с новой заготовкой переместится в позицию Г, спутник с обработанной деталью переместится из позиции В в позицию А и далее - в магазин-накопитель. Данное устройство используют на станках, которые обеспечивают обработку деталей массой до 500 кг, длиной до 600, шириной до 600 и высотой до 700 мм.
Роликовый конвейер-накопитель (магазин) спутников замкнутого прямоугольного типа той же фирмы приведен на рис. 10.24. Накопитель имеет две продольные роликовые ветви 2 и две поперечные укороченные цепные ветви 3, которые обеспечивают ускоренное перемещение спутника 320
Рис. 10.24. Роликовый конвейер-накопитель спутников
от одной продольной ветви к другой. Спутники 5 с роликового конвейера на цепной и обратно передаются четырьмя угловыми подъемными механизмами 4. Спутник из магазина механизмом 6 передается в трехпозиционное челночное устройство S, которое обеспечивает автоматическую смену спутников на многоцелевом станке 7. На позиции 1 смены спутников установлен поворотный стол и она служит для установки заготовок и снятия обработанных деталей. Магазин обеспечивает накопление 12 спутников. Магазин-накопитель используют при обработке деталей массой до 900 кг и шириной и длиной до 800 мм.
На рис. 10.25 показан магазин-накопитель фирмы Hiiller Hille (Германия). Магазин обеспечивает накопление 10 спутников. Спутники 1 пере-
Рис. 10.25. Накопитель спутников с транспортной тележкой ,
даются транспортной тележкой 3, которая перемещается по направляющим 2. В транспортной тележке 3 смонтирован привод для ее перемещения, а также механизм перемещения спутников с поворотными направляющими. Самоходная транспортная тележка в отличие от конвейеров-накопителей, где все спутники перемещаются одновременно, обеспечивает доставку из накопителя к станку 4 только одного спутника с выбором по заданной программе. В накопителе имеется позиция 5 с поворотным столом, которая служит для установки заготовок и снятия обработанных деталей и связи с внешним транспортом автоматизированного комплекса. Длинная транспортно-накопительная система с самоходной транспортной тележкой позволяет обслуживать два многоцелевых станка и может быть использована для транспортирования различных типов обрабатываемых заготовок.
Прямолинейный накопитель с самоходной транспортной тележкой для передачи спутников показан на рис. 10.26. Транспортная тележка 5 по напольному рельсовому пути 4 может перемещаться цепным или тросовым приводом. Тележка оснащена приемно-передающим устройством спутников. Спутник 3 из накопителя 1 перемещается на транспортную тележку 5,
Рис. 10.26. Накопитель спутников с транспортной тележкой
а затем на двухпозиционный поворотный стол 7 устройства автоматической смены спутников. После окончания обработки на станке 6 спутник с обработанной деталью со стола станка перемещается на поворотный стол 7, который поворачивается на 180°. Далее спутник с новой заготовкой подается на стол станка, а спутник с готовой деталью перемещается на
транспортную тележку 5. Во время обработки детали транспортная тележка транспортирует спутник с готовой деталью в соответствующую позицию, и по программе с определенной позиции накопителя подает новый спутник с заготовкой на устройство автоматической смены спутников. В позиции 2 накопителя 1 установлен поворотный стол, который служит для установки и съема обработанных деталей и связи с внешним транспортом ГПС.
Компоновка вертикального магазина для накопления спутников, выполненная на станках МАЗ фирмы Tsugami (Япония), показана на рис. 10.27. Рабочий шпиндель 11 станка выполнен с горизонтальной осью.
Рис. 10.27. Вертикальный накопитель спутников:
1 - рабочий стол; 2 - щиток; 3 - механизм поворота (индексации); 4 - двигатель механизма поворота; 5 - корпус механизма поворота; 6 - цепной конвейер; 7 - ограничитель перемещения спутников; 8 - локатор наличия спутников; 9 - питатель смены спутников; 10 - рабочая позиция; 11 - рабочий шпиндель
В вертикальном магазине может быть установлено десять спутников. Номера спутников кодируются автоматически с помощью специальных собачек, которые прикреплены к каждому спутнику. Соответствующие программы обработки вызываются автоматически. Это позволяет автоматически обрабатывать до одиннадцати различных заготовок в течение продолжительного времени, так как десять заготовок могут быть установлены на спутниках в магазине и одна - на рабочей позиции станка. Кроме того, с помощью специальной команды кода «М» можно вызвать необходимый спутник для установки его на заданную позицию.
Привод устройства смены спутников гидравлический. Для поддержания высокой точности установки спутников в определенном положении основание спутников, питатель для смены спутников и места крепления спутников очищаются сжатым воздухом.
Установка и снятие заготовок со спутников производится во время нахождения спутников в горизонтальном положении (позиция а). Спутни
ки перемещаются из вертикального магазина на стол с помощью специального механизма поворота.
После установки на позиции а заготовки на спутник, он поворачивается в позицию б и перемещается в позицию в. Из позиции в спутник с заготовкой может быть передан в магазин-накопитель или на позицию обработки. После окончания обработки заготовки в позиции 10 питатель 9 поворачивается в горизонтальное положение, спутник с обработанной деталью перемещается на питатель 9, одновременно на левую сторону перемещается спутник с новой заготовкой, питатель 9 поворачивается на 180°, и новая заготовка со спутником подается на рабочую позицию 10, а спутник с обработанной деталью на позицию в. Питатель 9 поворачивается в вертикальное положение, и начинается новый цикл обработки заготовки.
Во время автоматического режима работы станка магазин спутников вращается по часовой стрелке. При снятии или установке спутников направление вращения магазина спутников можно выбирать с помощью селекторного переключателя. При вертикальном расположении магазина спутников экономится производственная площадь.
10.5.	Системы транспортирования инструмента
Эффективная работа станков с ЧПУ, входящих в ГПС, во многом зависит от своевременной смены инструментальных наладок в магазинах станков. Эту функцию выполняет транспортно-накопительная система инструментов ГПС, которая является элементом автоматизированной системы инструментального обеспечения (АСИО). Основная функция системы заключается в автоматическом транспортировании и распределении инструментов по станкам комплекса, автоматической загрузки-выгрузки инструментов из магазинов инструментов станков при переходе на обработку другой детали и хранения их в центральных накопителях-магазинах инструментальных наладок, а также в выводе из ГПС инструментов на переналадку и заточку и вводе в ГПС новых комплектов инструментов.
Для транспортировки инструментальных наладок обычно применяют те же транспортные средства, что и для обрабатываемых заготовок. При этом комплекты настроенных инструментальных наладок, предназначенных для обработки конкретных деталей на конкретном станке комплекса, многошпиндельные наладки или отдельные инструментальные наладки устанавливают в специальные приспособления на поддоны или приспособления-спутники.
Для увеличения вместимости инструментальных магазинов многоцелевых станков ГПС в некоторых случаях пользуются специальными при-становочными складами, в которых хранят специальные инструменты. Для смены инструмента между основными магазинами и пристановочными складами, как правило, применяют такие же устройства, как и для смены инструментов в шпинделе станка, или промышленные роботы (рис. 10.28). В некоторых случаях при изменении номенклатуры изделий заменяют сами магазины инструментов (обычно дисковых). Так, на рис. 10.28, а показан участок гибкой производственной системы фирмы Makino (Япония), в которую входят несколько многоцелевых станков 1 с кассетными дисковыми инструментальными магазинами 3 и устройствами 4 автоматической смены спутников.
Рис. 10.28. Гибкие производственные системы с робокарами: а - фирмы Makino (Япония), б - фирмы Murato Machinery (Япония)
Спутники 5 с закрепленными на них заготовками хранятся в специальном центральном складе-накопителе. На каждом спутнике указан определенный код. По команде от станка, на котором заканчивается обработка детали, по соответствующей программе от ЭВМ робокар 6 с индуктивным управлением подходит к накопителю, забирает необходимый спутник с заготовкой и транспортирует его на определенный станок. Если на станке по программе должна обрабатываться новая деталь, то одновременно с подачей спутника с новой заготовкой на этот станок из секции комплектации инструмента по программе от ЭВМ подается новый инструментальный дисковый магазин 3 с требуемым инструментом на специальном робокаре 2 по соответствующей транспортной трассе. Смена инструментального дискового магазина на станке выполняется автоматически.
Другой вариант участка гибкой производственной системы фирмы Murato Machinery (Япония) показан на рис. 10.28, б. Участок включает несколько многоцелевых станков 1 с дисковыми инструментальными магазинами 5 и автоматическими механизмами 3 смены спутников. Сзади станков 1 расположены дополнительные накопители 7 инструментов, из которых промышленный робот 6, перемещающийся по рельсовым направляющим, может забрать дополнительный необходимый инструмент и установить его в дисковые магазины 5 станков 7. В зависимости от программы и команд от ЭВМ робокары 4 транспортируют спутники 2 с заготовками к станкам ГПС, забирают спутники с готовыми деталями и транспортируют
325
их на центральный склад, а также при необходимости транспортируют дополнительные накопители инструментов и тары со стружкой от станков.
С точки зрения организации системы транспортирования инструментов в ГПС определенный интерес представляет многоцелевой станок фирмы Hillier Hille (Германия) с кассетным магазином инструментов и системой 4 автоматической смены заготовок (рис. 10.29, а). На данном станке 3 инструменты укладываются в так называемые магазинные кассеты 7, устанавливаемые на основной раме 2. Кассета имеет 25 мест, отмеченных определенным кодом.
10.29. Многоцелевой станок с кассетным инструментальным магазином
Для передачи инструмента на загрузку в рабочий шпиндель станка имеется подвесное транспортное приспособление 1 (рис. 10.29, 6), управляемое от ЧПУ, которое в соответствии с программой обработки забирает определенные инструменты из кассет и транспортирует их на место загрузки, откуда двойной автооператор 2 меняет инструмент в рабочем шпинделе. Инструмент, взятый из рабочего шпинделя, передается к уст-326
ройству манипулирования и возвращается в кассету на свое место. Кассеты можно менять с помощью управляемого вручную автопогрузчика (рис. 10.30, а) или автоматически с помощью индуктивно управляемого напольного транспортного средства (рис. 10.30, б). Кассеты служат в качестве емкостей для транспортирования инструмента между станцией настройки инструмента и многоцелевым станком, но после установки кассет в магазине она вводится как составная часть инструментального магазина.
Рис. 10.30. Транспортные тележки для замены инструментальных кассет
10.6.	Устройства для транспортирования стружки
Один из факторов надежной работы станков ГПС - своевременный автоматический отвод стружки из рабочей зоны обработки. Система транспортирования стружки является частью автоматизированной системы удаления отходов ГПС.
Удаление стружки от рабочих зон станков может выполняться с помощью конвейеров различных типов. Так, для транспортирования сыпучей стружки, которая образуется при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы и др.), применяют ленточные, скребковые, цепные и другие конвейеры. Для транспортирования сливной стружки, которая имеет большой объем при малой плотности, применяют шнековые конвейеры.
На рис. 10.31 приведены некоторые принципиальные схемы конвейеров, применяемых для удаления стружки от рабочих зон станков. Как в пластинчатом, так и в скребковом конвейере на одном конце рамы 5 установлен привод 7, а на другом - натяжная станция 4. Стружка, попадая в приемник 2, транспортируется несущими органами 3 от зоны резания. Эти транспортеры в основном применяют для транспортирования элементной чугунной или стальной стружки. Параметры скребковых конвейеров унифицированы. Шнековый конвейер является наиболее удобным для транспортирования как мелкой дробленой, так и витой стружки. В качестве рабочего органа в них применен шнек, который помещен в корыто 7. Стружка в корыте не вращается вместе с винтом 6 ввиду трения о стенки и поэтому передвигается вдоль корыта по направлению от привода 7.
a
Рис. 10.31. Схемы конвейеров для удаления стружки из рабочих зон станков: а - пластинчатый; б - скребковый; в - шнековый; г - магнитный
Шнековые конвейеры бывают одно- и двухвинтовые. Они могут работать при горизонтальном, наклонном и вертикальном расположении. При работе с охлаждением шнековые конвейеры выполняют герметичными. Простота конструкции, отсутствие наружных движущихся частей, компактность, надежность в работе и возможность перемещения стружки в закрытом со всех сторон корыте являются преимуществами шнековых конвейеров. Их успешно применяют для перемещения стальной или алюминиевой стружки, так как не опасно наматывание стружки на винт. Кроме того, винт частично дробит стружку, что облегчает ее дальнейшее транспортирование. Шнековые конвейеры различной длины собирают из унифицированных секций.
На некоторых станках применяют магнитные конвейеры. Бесконечная цепь 10 такого конвейера переброшена через звездочки 72, одна из которых приводится в движение от редуктора 13. На цепи расположены постоянные магниты 77 с шагом, равным примерно 1/4 длины дуги закругления конвейера на сбросе. Верхняя ветвь конвейера расположена под приемной воронкой 8 и неподвижной несущей поверхностью 9, изготовленной из корозионно-стойкой листовой стали.
Между магнитами и несущей поверхностью с учетом глубины магнитного поля оставляют небольшой зазор, достаточно выходящий за пределы неподвижной несущей поверхности. Стружка, попадающая в ворон
ку, ориентируется вблизи магнитов и скользит по несущей поверхности. На сбросе стружка направляется в тару для сбора стружки. Применение магнитных конвейеров ограничивается транспортированием стружки только ферромагнитных материалов (сталь, чугун). Поэтому такие конвейеры выполняются автономными и органически не связанными со станками, чтобы в случае обработки деталей из неферромагнитных материалов магнитный конвейер можно было заменить другим.
Задача удаления стружки от станков, входящих в ГПС, имеет специфические особенности, так как для ее решения необходимо создавать конвейеры длиной в несколько десятков метров, а это создает дополнительные трудности при создании приводных механизмов конвейеров. Масса транспортируемой стружки значительно больше, чем масса стружки у отдельных станков, поэтому больше вероятность застревания стружки и заклинивания конвейеров, что предъявляет к их надежности весьма высокие требования.
В зависимости от конкретных условий возможны три системы отвода и транспортирования стружки от станков, входящих в ГПС в общецеховую транспортную систему стружки:
1)	транспортирование стружки в контейнерах, когда стружка у отдельных станков, входящих в ГПС, собирается в специальную тару (ящик, тележку);
2)	транспортирование стружки конвейерами, проходящими вне станков ГПС и имеющими отводящие конвейеры того или иного типа от отдельных станков;
3)	транспортирование стружки конвейерами, проходящими под станками ГПС в специальных тоннелях. Использование такой системы транспортирования исключает необходимость иметь на каждом станке ГПС устройства, отводящие стружку на общий транспортер, так как он располагается непосредственно под зонами обработки станков.
В настоящее время наиболее часто в ГПС применяют контейнерную систему транспортирования стружки, особенно когда при обработке деталей имеет место элементная стружка. Из зоны резания элементная стружка удаляется сравнительно легко: она попадает в стружкоприемник и затем в тару сразу или по конвейерной системе. Наполненная тара выдвигается оператором на позицию выдачи, а на ее место ставится новая тара. Наполненную и подготовленную к отправке тару можно транспортировать с помощью подвесных промышленных роботов или робокар, выполняющих перевозку заготовок и готовых деталей.
На рис. 10.32 приведен гибкий производственный модуль фирмы Diedesheim (Германия), при использовании которого в ГПС применяют конвейерное транспортирование стружки. Основными узлами и механизмами станка являются магазин инструментальных наладок 7, поворотная стойка 2 привода шпиндельных узлов, рабочая позиция 5, рабочий стол 5, механизм 6 автоматической смены спутников 4, транспортер 7 стружки, тара 8 для стружки.
Во время обработки заготовки стружка падает в приемник и далее на скребковый конвейер 7, который перемещает ее в тару 8. Скребковый конвейер выполнен напольным и проходит через станину станка. По мере наполнения тары 8 ее заменяют на пустую, а наполненная стружкой транспортируется на участок сборки стружки.
Рис. 10.32. Гибкий производственный модуль с контейнером для транспортирования стружки
Рис. 10.33. Конвейеры для удаления стружки с участков станков: а - двухвинтовой; б - скребковый
Для удаления стружки от участков станков обычно служат винтовые и скребковые конвейеры (рис. 10.33). Двухвинтовой конвейер состоит из чугунных секций 7, собранных в желобе 7. В желобе свободно (без опор) вращаются в разные стороны два винта 2 и 10 (с левым и правым направлением витков) от привода 4 через шарнирную муфту 3. Стружка от станков 6 по одновинтовым конвейерам 5 через отверстия 8 в верхней плите, закрытые кожухом 9, поступает на конвейер 77 и далее на сборный пункт. Винтовые конвейеры являются наиболее эффективными для перемещения как элементной (дробленой), так и сливной стружки. Стружка в желобе не вращается вместе с винтами из-за трения о стенки и поэтому передвигается вдоль желоба.
Скребковый цепной конвейер предназначен для транспортирования элементообразной стружки (рис. 10.33, б). Он имеет желоб 77, смонтированный в бетонном канале 10 и закрытый сверху крышкой 3. Замкнутые цепи натянуты на двух парах звездочек 2 и 7. Движение конвейеру б сообщается от электродвигателя через редуктор 7. Скребки 5 в нижнем положении, двигаясь по желобу 77, перемещают стружку, поступающую на конвейер от станков 4, на поперечный шаговый скребковый конвейер 8, смонтированный в бетонированном канале 9, по которому конвейер транспортирует ее в сборник. От станков 4 стружка в конвейер поступает вместе с СОЖ, которая стекает по желобу 77 через сетку 14 в шахту 73, откуда по трубе 12 отводится в централизованную циркуляционную цеховую систему подачи СОЖ к станкам.
Типовая схема транспортной системы уборки стружки на ГПС типа АСВ представлена на рис. 10.34. Участковый конвейер 2 с емкостями 7 транспортирует заготовки, инструмент и оснастку к станкам б. Стружка у станков собирается в тару 4. которая укладчиком 5 подается на рольганг 3. По рольгангу 3 тара 4 подается к конвейеру 2, который транспортирует ее к рольгангу 9 секции 10 сбора стружки. Далее краном 8 стружка засыпается в контейнеры 7 и вывозится из цеха.
Рис. 10.34. Типовая схема транспортной системы уборки стружки на ГПС типа АСВ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Гибкие производственные системы, промышленные роботы, робототехнические комплексы. В 14 кн: Кн. 4. Транспортно-накопительные системы ГПС: Практ. пособие / Л.И. Волчкевич, Б.А. Усов.; Под ред. Б.И. Черпакова. - М.: Высшая школа, 1989. -112 с.
2.	Гибкие производственные комплексы / В.А. Лещенко, В.М. Киселев, Д.А. Куприянов и др.; Под ред. П.Н. Белянина и В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение, 1984. - 384 с.
3.	Кузнецов М.М., Усов Б.А., Стародубов В.С. Проектирование автоматизированного производственного оборудования: Учебн. пособие для вузов. - М.: Машиностроение, 1987.-288 с.
4.	Козырев Ю.Г. Промышленные роботы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1983. -376 с.
5.	Нахапетян Е.Г. Определение критериев качества и диагностирования механизмов. -М.: Наука, 1977.-140 с.
331
Глава 11.
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СКЛАДЫ ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ И РОБОТИЗИРОВАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
11.1. Автоматизированные стеллажи, складские и погрузочно-разгрузочные машины
Стеллажный способ хранения тарно-штучных грузов, приспособлений-спутников, контейнеров, кассет широко применяют в гибких производственных системах механосборочного производства.
При хранении в стеллажах создаются благоприятные условия для автоматизации всех складских процессов, учета, адресования, планирования работы, комплектации партий груза, погрузочно-разгрузочных операций и выполнения других функций. Выгодным достоинством стеллажного метода является рациональное использование объема и площади производственного помещения. Использование объема производственного помещения при применении различных способов хранения и переработки тарноштучных грузов (заготовок, палет, поддонов, кассет и др.) характеризуется следующими цифрами: при штабелировании вручную 10 %, при применении электропогрузчиков 20-25 %, мостовых кранов-штабелеров со стеллажами 35—40 %, стеллажных кранов-штабелеров с однорядными стеллажами 55-65 %, с двухрядными стеллажами 65-70 %, с передвижными стеллажами 75-80 %. При стеллажном способе хранения повышается сохранность полуфабрикатов, деталей, применяемых в ГПС.
В зависимости от типа и конструкции стеллажей и штабелирующих машин автоматические склады бывают стеллажные: с блочными или клеточными стеллажами, со стеллажными кранами-штабелерами, с мостовыми кранами-штабелерами или с напольными роботами; конвейерные: элеваторные, проходные, подвесные.
При создании стеллажных автоматических складов необходимо предусмотреть использование в каждом проходе между стеллажами отдельного погрузочно-разгрузочного агрегата. В особых случаях может быть установлен один агрегат на несколько проходов, но тогда требуется установка дополнительного устройства для перевода агрегата из одного прохода в другой или использование мостового крана-штабелера. На рис. 11.1 приведены некоторые принципиальные схемы автоматических стеллажных складов. На рис. 11.1, а показан склад с одним однорядным стеллажом, а на рис. 11.1, б - с двумя однорядными стеллажами. Стеллажи 1 обслуживаются одним автоматическим стеллажным краном-штабелером, который укладывает в ячейки стеллажа поданный на перегрузочное устройство 3 груз или (в зависимости от программы) забирает необходимый груз (спутник с заготовкой, инструмент или приспособление и т.д.) из ячейки стеллажа и подает его на перегрузочное устройство, откуда груз с помощью применяемого в ГПС транспортного средства доставляется на станок.
Склады с автоматическими стеллажными кранами-штабелерами получили в ГПС наибольшее применение, так как они занимают мало места, имеют высокую производительность и более легко поддаются автоматизации.
332
Рис. 11.1. Принципиальные схемы автоматических складов:
а - с одним однорядным стеллажом; б - с двумя однорядными стеллажами; в - стеллажный, обслуживаемый мостовым краном штабелером; г - проходной гравитационный.
Стеллажный склад, показанный на рис. 11.1, в, обслуживается одним мостовым краном-штабелером 2, который в зависимости от программы может устанавливаться в первом или во втором проходах между стеллажами. Перегрузочные устройства 3 могут быть установлены в зависимости от компоновки склада либо у однорядных стеллажей, либо в середине у двухрядного стеллажа. Подобные автоматические склады с мостовыми кранами-штабелерами применяют в единичном или мелкосерийном производстве.
Склады с одним однорядным стеллажом (см. рис. 11.1, а) применяют при установке их вдоль производственного участка станков ГПС. В данном случае автоматический кран-штабелер не только забирает заготовки из ячеек стеллажа, но и подает их непосредственно на перегрузочный стол станка, а также передает обработанные детали с перегрузочного стола станка в свободные ячейки стеллажа склада.
Склады с линейной компоновкой нескольких стеллажных накопителей и с автоматическим стеллажным краном-штабелером (см. рис. 11.1, б) или с мостовым краном-штабелером (см. рис. 11.1, в) применяют при линейных компоновках ГПС. При этом подача заготовок от перегрузочного стола склада к перегрузочным столам станков и обратно производится специальными транспортными средствами.
Склады со стеллажными кранами-штабелерами используют при больших грузопотоках и небольших объемах хранения, а склады с мосто
333
выми кранами-штабелерами - при меньших грузопотоках и больших объемах хранения материалов, заготовок и готовых изделий. При больших грузопотоках и объемах грузов их обычно хранят на складе для заготовок и на складе для готовых изделий. Эти склады располагают по торцам технологической линии ГПС.
В тех случаях, когда при незначительной номенклатуре грузов требуются сравнительно большие запасы материалов, полуфабрикатов и т.п., применяют автоматизированные склады с гравитационными стеллажами. Автоматизированный гравитационный склад (рис. 11.1, г) имеет транспортер 2 подачи грузов на склад, кран-штабелер 1 для подачи грузов на гравитационные стеллажи 3, кран-штабелер 4 для выдачи грузов со стеллажей склада и конвейер 5 подачи заготовок к станкам ГПС. В данном случае необходимо, чтобы в каждой роликовой дорожке гравитационного стеллажа размещались грузы одного наименования. Поток груза всегда идет только в одном направлении (смотри стрелки на рис. 11.1, г) - на склад и со склада.
Гравитационные склады позволяют эффективно использовать площадь и объем производственного помещения, так как между стеллажами отсутствуют проходы.
Размещение складов в ГПС зависит от типа и характера производства, производственной программы, типа внутрицехового и внутрисистемного транспорта, характеристик строительной части производственного корпуса, в котором размещают ГПС (ширины пролета, полезной высоты, допустимых нагрузок на пол и др.), а также от типа и оборудования самих складов, их основных параметров и других факторов. Учитывают также состав и размер транспортных партий, последовательность запуска обрабатываемых партий заготовок, число одновременно обрабатываемых типоразмеров деталей, транспортные потоки и т.д.
Наиболее рациональной является такая компоновка складов в ГПС, когда они максимально приближены к технологическому оборудованию. При планировке автоматизированного склада в ГПС необходимо учитывать количество, тип, размеры складируемых изделий и транспортной тары; площадь основания склада, предполагаемую перегрузку, возможность дальнейшего расширения склада.
Основные правила хранения тарно-штучных грузов следующие:
1)	грузы, занимающие наибольший объем, должны быть расположены так, чтобы максимально уменьшить путь прохождения при выдаче их со склада;
2)	единичные изделия при доставке должны быть сгруппированы для хранения на поддонах, складских конвейерах или других устройствах;
3)	поддоны должны быть штабелированы в несколько ярусов;
4)	на полностью автоматизированном складе должно быть только два направления движения материалов: на склад и со склада;
5)	число типоразмеров упаковок (тары) должно быть минимальным.
Стеллажи предназначены для хранения поддонов с изделиями или спутников. Полки стеллажей могут быть выполнены из стальной профильной конструкции (каркасные), бетонной конструкции и из стали и бетона. Конструкция стеллажей должна быть приспособленной к наибольшему заполнению объема склада.
334
Стеллажи для хранения изделий могут быть однорядными, двухрядными и многорядными. Однорядный накопитель позволяет брать и ставить поддоны или спутники в заданную ячейку с любой стороны стеллажа. Двухрядные накопители обладают большей компактностью, чем однорядные. Однако при использовании одного стеллажного крана-штабелера в двухрядном накопителе необходимо выполнять дополнительные ячейки (окна передачи), обеспечивающие передачу поддонов или спутников с одного ряда на другой. Передача производится с помощью роликовых конвейеров и других специальных механизмов. Структура многорядных накопителей может быть различной.
Штабелирующие машины предназначены для обслуживания складов со стеллажными накопителями. Они загружают ячейки накопителей или спутники с закрепленными на них обрабатываемыми деталями, а также выдают их в зависимости от программы, полученной от управляющей ЭВМ или другой системы управления. К штабелирующим машинам относят стеллажные краны-штабелеры и мостовые краны-штабелеры, которые могут быть с ручным управлением, полуавтоматическими и автоматическими. Конструкции кранов-штабелеров должны обеспечивать наибольшее использование объема зоны хранения стеллажных накопителей.
Краны-штабелеры с программным управлением широко применяют в ГПС. Выпускают складские краны-штабелеры грузоподъемностью от 500 до 1000 кг; к ним относятся СА-05, РШ-500, СЧ225-02, РСК-500, РСК-1000 и др. В них программируются следующие перемещения: горизонтальное -по рельсовым направляющим, вертикальное - каретки по направляющим
рамы и горизонтальное - выдвижение телескопического захвата.
На рис. 11.2 показан стеллажный кран-штабелер РШ-500. Он предназначен для транспортирования грузов массой до 500 кг в таре длиной 800, шириной 600 и высотой 320 мм. Кран-штабелер выполнен в виде рамы 2, которая установлена на каретке 8. В каретке расположен привод горизонтального перемещения штабелера по рельсовому пути 6 с верхней направляющей балкой 1. Каретка 3, на которой смонтирован сдвоенный телескопический захват груза 7, перемещается в вертикальном направлении по направляющим рамы 2 от привода 5. Для точного останова штабелера относительно ячеек стеллажа служит тормозное устройство 7. Перемещение штабелера по рельсовому пути в горизонталь
ние. 11.2. Стеллажный кран-штабелер РШ-500
ном направлении может совершаться со скоростью от 2 до 65 м/мин, скорость вертикального перемеще-
ния каретки от 2 до 18 м/мин, скорость телескопического захвата 10 м/мин.
335
Точность позиционирования при горизонтальном перемещении ±2 мм, при вертикальном перемещении каретки ±4 мм и точность выдвижения захвата ±3 мм. Управление работой штабелера осуществляется от ЭВМ АСВТ М-6000. Кран-штабелер может быть применен в помещении высотой до 5,2 м.
Штабелер АТС-1 (рис. 11.3) предназначен для выполнения транспортно-перегрузочных операций со спутниками, он входит в автоматизированную транспортно-накопительную систему автоматизированного комплекса станков АЛП-3-1.
Рис. 11.3. Стеллажный кран-штабелер АТС-1
Штабелер состоит из корпуса 3 рамной конструкции, каретки 2 с телескопическим столом 7, который предназначен для приема-передачи спутников. На выдвижной платформе телескопического стола установлены направляющие планки 7 для ориентации спутника 4 и удержания его при перемещениях штабелера. На верхней платформе корпуса 3 смонтированы приводы перемещения штабелера вдоль стеллажа-накопителя спутников по оси X и перемещения каретки с телескопическим столом по оси Y. Штабелер перемещается вдоль оси X на роликах 5 по направляющим 6, смонтированным на верхней плоскости стеллажа накопителя, и опирается роликами S, расположенными на нижней части корпуса штабелера, на направляющую двутавровую балку 9.
Перемещение штабелера вдоль стеллажа-накопителя осуществляется от электродвигателя постоянного тока ПБСТ-43 через червячный редуктор и зубчатое колесо, соединенное с зубчатой рейкой, установленной на направляющей 6.
336
Каретка 2 с телескопическим столом 1 перемещается в вертикальном направлении на роликах по направляющим колонн корпуса 3 от электродвигателя постоянного тока ПБСТ-42 через червячный редуктор, конические зубчатые колеса и реечное колесо, которое сцепляется с рейкой, закрепленной на корпусе штабелера. Перемещение штабелера по оси X и каретки по оси Y контролируется преобразователями информации - вращающимися трансформаторами ВТМ-1В, которые смонтированы непосредственно на конечных звеньях червячных редукторов. Телескопический стол 1 выдвигается с помощью электродвигателя АОЛ-21-4 через червячный редуктор и систему зубчатых колес и реек.
Управление штабелером осуществляется по командам от ЭВМ через устройство ЧПУ. Система программного управления работой штабелера имеет четыре стандартных цикла: 1) взять спутник из ячейки стеллажа-накопителя; 2) поставить спутник в ячейку стеллажа-накопителя; 3) взять спутник с приемной позиции приемно-передающего агрегата; 4) поставить
спутник на приемную позицию приемно-передающего агрегата.
Для обслуживания высотных складов с рабочей высотой стеллажей 11... 12 м применяют штабелеры с кабиной для оператора как с ручным
управлением, так и полуавтоматические и автоматические. На рис. 11.4
показан пример обслуживания краном-штабелером с кабиной для оператора 2 фирмы Valmet (Финляндия). Кран-штабелер выполнен с одной стойкой 4 и перемещается вдоль стеллажей 3 по рельсовым направляющим 7. Кабина с оператором перемещается в вертикальном направлении по направляющим стойки. Данный кран-штабелер перемещается относительно ячеек склада автоматически от системы управления, а перегрузка изделий осуществляется вручную оператором. Транспортируемые изделия укладывают в специальную тару. В зависимости от заданной программы штабелер останавливается у требуемого стеллажа, и платформа с оператором поднимается к ячейке, в которой находятся необходимые изделия. Оператор после загрузки и
стеллажного склада полуавтоматическим
Рис. 11.4. Кран-штабелер, обслуживаемый оператором
выгрузки подает сигнал отправления штабелера, и он автоматически перемещается в требуемом направлении.
Гибкая производственная система, в которой используется стеллажный автоматизированный склад, показана на рис. 7.20 в гл. 7.
Автоматизированный склад 3 (см. рис. 7.20) предназначен для приемки, хранения и выдачи на комплекс заготовок; приемки с комплекса, хра
337
нения и выдачи потребителю обработанных деталей, приемки с комплекса, хранения и выдачи на комплекс полуфабрикатов (частично обработанных деталей); приемки с комплекса, храпения и выдачи на комплекс спутников и приспособлений. На складе установлены стеллажи 4 сварной конструкции, автоматический штабелер 7, стол 6 загрузки-разгрузки для приема заготовок от поставщика и передачи обработанных деталей потребителю, манипулятор 5 и стол 8 для передачи заготовок на комплекс и приема обработанных деталей. Детали в складе хранятся и транспортируются в поддонах.
При загрузке склада заготовками по команде от системы управления штабелер 7 забирает поддон с обработанной деталью (или пустой поддон) из ячейки стеллажа и транспортирует его на стол 6 загрузки-разгрузки. Оператор с помощью внешнего манипулятора 5 разгружает обработанную деталь и загружает в поддон заготовку. После ввода оператором в систему управления кода заготовки и нажатия на пульте управления соответствующей кнопки штабелер 7 транспортирует и устанавливает заготовку с поддоном в заданную ячейку стеллажа.
При подаче заготовок на комплекс по команде от системы управления штабелер 7 забирает заготовку с поддоном из ячейки стеллажа, транспортирует ее на стол 8 загрузки-выгрузки. Обработанные детали поступают на этот же стол и далее штабелером 7 транспортируются в ячейку стеллажа.
Система управления складом обеспечивает три режима его работы: 1) наладочный - перемещение исполнительных органов склада осуществляется с наладочного пульта управления нажатием на соответствующие кнопки; 2) полуавтоматический - выполнение каждого технологического процесса осуществляется от соответствующих элементов управления, расположенных на пульте склада; 3) автоматический - выполнение технологических процессов склада осуществляется по командам от ЭВМ.
Спутник с обработанной деталью подается агрегатом загрузки на монтажный стол 9. После его фиксации и зажима оператор раскрепляет зажимные элементы приспособления и с помощью манипулятора 5 снимает обработанную деталь, переносит и устанавливает ее в поддон, расположенный на столе 8 разгрузки-загрузки, затем включает штабелер 7, и поддон с обработанной деталью перемещается в стеллаж автоматизированного склада, а на его место поступает поддон с заготовкой. С помощью манипулятора оператор переносит и устанавливает заготовку на спутник, расположенный на монтажном столе 9 и закрепляет ее.
Транспортирование спутников 77 в оперативный накопитель 72, по агрегатам загрузки спутников 14 многооперационных станков 7, на стол 13 контроля и в камеру 2 очистки деталей от стружки производится автоматической транспортной тележкой 75.
При смене объекта производства на комплексе на столе 10 сборки спутников и приспособлений готовят необходимые комплекты, которые наладчик транспортирует на ручной тележке на стол 6 разгрузки-загрузки, откуда спутники штабелером 7 подают их в ячейки стеллажей склада 3.
Адреса начального и конечного пунктов транспортирования задаются системой управления. Для штабелера это номера ячеек стеллажа склада, для транспортной тележки - номера ячеек оперативного накопителя и станков. Состояние склада, оперативного накопителя и станков контролируется системой управления. В памяти управляющей машины постоянно
338
имеется информация о каждой ячейке стеллажа (номер заготовки или обработанной детали, находящейся в ячейке, а также о том, что ячейка пуста), о ячейках оперативного накопителя (номера заготовок и обработанных деталей) и станках (номера обрабатываемых в данный момент деталей).
Особая сложность возникает при складировании и транспортировании длинномерных заготовок. Поэтому определенный интерес представляет разработанный фирмой Kasto (Германия) фрезерно-отрезной станок с автоматическим складом для длинномерных заготовок различного профиля. Система состоит из специализированного фрезерно-отрезного станка с ЧПУ и системы с программным управлением для складирования и транспортирования длинномерных заготовок.
Процесс выбора и подачи прутковых заготовок на фрезерно-отрезной станок полностью автоматизирован. Автоматизированное и ручное управление всей системой осуществляется от соответствующих пультов. Прутковая заготовка укладывается на наклонные кронштейны мультипрограммного накопителя (склада). Укладка и выбор требуемой прутковой заготовки осуществляется штабелеукладчиком с грузовой траверсой, которая имеет фасонные захваты для транспортирования прутковой заготовки различного профиля. Штабелеукладчик имеет продольное перемещение, а грузовая траверса 3 - вертикальное. Подача на склад и выдача со склада заготовки осуществляется передвижной тележкой с пятью укладочными кронштейнами для загрузки и разгрузки с помощью штабелеукладчика. Склад огражден защитной клетью. При автоматическом режиме работа склада контролируется сигнальной лампой. Обработанные детали и отходы поступают в контейнеры.
Для обслуживания нескольких ГПС, а также отдельных цехов и завода в целом применяют высотные и проходные автоматизированные склады. Высотные и проходные склады позволяют складировать большое количество различных грузов. В этих складах появляется возможность полностью автоматизировать процессы транспортирования и складирования грузов при экономии площади и высоком КПД складирования (оптимизация траекторий перемещения грузов). Однако это требует применения высоконадежной техники складирования, машин складирования и транспортирования, определенной конструкции полок стеллажей, сложной системы управления.
Когда число видов изделий весьма ограниченное, а число складируемых грузов большое, наиболее выгодная система складирования обеспечивается с помощью так называемого проходного принципа. В проходных складах используют складской транспортный путь с механическим приводом или с приводом от силы тяжести (гравитационные склады), груз загружается в одном конце склада и разгружается в другом. Автоматизированные проходные склады действуют по принципу «первым внутрь - первым наружу». Данная система подходит для складских объектов, требующих большой скорости циркуляции и обработки грузов.
Проходной склад может быть размещен непосредственно между производственной линией и передаточным центром. В этом случае при выполнении производственных и складских функций реализуется полностью автоматизированный транспортный путь, управление которым можно осуществить централизованно, получая непрерывную регулируемую систему складирования и транспортирования.
339
11.2.	Перегрузочные устройства автоматизированных складов
Роликовые спуски применяют наряду с гладкими спусками (лотками) для перегрузки приспособлений, тары, кассет с инструментом (рис. 11.5). Перемещение грузов на таких устройствах происходит под действием скатывающей составляющей веса груза. Роликовые спуски могут быть прямолинейными, криволинейными, спиральными (рис. 11.6), а также выполнены в различных конструктивных вариантах. Например, на рис. 11.7 представлен роликовый спуск с подъемной секцией для освобождения прохода или проезда, а на рис. 11.8 схематически изображены конструктивные способы торможения перемещаемых по роликовым спускам грузов.
Рис. 11.5. Прямолинейный роликовый спуск
Рис. 11.6. Криволинейная секция роликового спуска
Рис. 11.7. Роликовый спуск с подъемной секцией:
1 - левая секция спуска; 2 - правая секция спуска; 3 - приводной гидроцилиндр
Рис. 11.8. Способы торможения грузов на роликовом спуске:
а - воздействием тормозных колодок на груз; б - объединением нескольких роликов; в - воздействием тормозных колодок на опорные ролики; г - применением тормозного гидравлического ролика
340
Роликовые спуски могут иметь горизонтальную поверхность; тогда перемещение грузов по ним должно осуществляться за счет подводимой извне энергии. Роликовые спуски могут иметь привод вращения или всех или части роликов для перемещения по ним грузов. Длинные роликовые спуски, как правило, состоят из отдельных секций.
Горизонтальные сталкивающие перегружатели применяют при механизированных и автоматизированных операциях загрузки и разгрузки напольных и подвесных конвейеров, самоходных тележек, штабелирующих устройств, плоских и роликовых спусков, подъемных столов.
Наиболее широко горизонтальные сталкивающие перегружатели применяют при двухпозиционной перегрузке, когда груз переталкивается с одной опорной плоскости (позиции) на другую. При этом опорные плоскости могут быть неподвижными (роликовый конвейер без привода, приемный стол, платформа тележки и т.д.) или находиться в движении (напольный конвейер, подвеска грузонесущего конвейера, тележка горизонтальнозамкнутого конвейера и т.д.).
На рис. 11.9 представлены некоторые схемы двухпозиционной перегрузки штучных грузов с помощью стационарных сталкивателей. Груз 3 (рис. 11.9, а) переталкивается толкателем 4 с роликового конвейера 2 на робокар 7, платформа которого установлена по оси действия толкателя. Схема перегрузки с напольного конвейера на другой напольный конвейер, установленный под углом 90° к первому, показана на рис. 11.9, б. Груз 3, транспортируемый конвейером 2 с помощью толкателя 7, переталкивается на другой конвейер 7.
Рис. 11.9. Схемы двухпозиционной перегрузки горизонтальными толкателями: а - с роликового конвейера на робокар; б - с конвейера на конвейер; в- с тележки конвейера на роликовый стол; г - с грузонесущего подвесного конвейера на ленточный
Загрузка и разгрузка тележек горизонтально-замкнутого напольного конвейера представлена на рис. 11.9, в. Грузы 2, транспортируемые тележками 7, толкателем 3 перегружаются на рабочие столы 7 с роликовым полотном, а толкателем 5 перегружаются со стола на платформу тележки. На рис. 11.9, г схематично показана перегрузка грузов 2 на подвеске 4 грузо-несущего подвесного конвейера 3 на ленточный конвейер 7 с помощью толкателя 5.
341
К многопозиционным горизонтальным толкателям относят толкатели с приводом от гидроцилиндра с телескопическим выдвижением штока. На рис. 11.10 представлена схема трехпозиционной перегрузки с помощью двухступенчатого гидротолкателя. Грузы 2 с двух параллельно направленных роликовых конвейеров 3 и 4 передаются на конвейер 7, расположенный к ним под углом 90°, а также с конвейера 4 на конвейер 3. При пере-
Рис. 11.10. Схема трехпозиционной перегрузки горизонтальным толкателем
грузке с конвейера 4 на конвейер 3 работает одна ступень телескопического гидротолкателя 5, а при перегрузке на конвейер 7 - две ступени.
Горизонтальный толкатель с электроприводом изображен на рис. 11.11. Горизонтальный толкатель с грузонесущей цепью предназначен для загрузки и разгрузки четырех роликовых конвейеров, расположенных попарно под углом 90° друг к другу. Цепной перегружатель размещен над конвейерами в зоне их стыковки и позволяет передавать груз с любого конвейера на любой другой.
Толкатель 3 представляет собой металлическую конструкцию,
закрепленную на тележке 5, которая перемещается по направляющим 7, закрепленным на опорных стойках 7 и 10. Тележка соединена с двумя замкнутыми цепями 77 и 73* В привод тележки-толкателя входит двигатель 9, редуктор 72, приводные 8 и натяжные 4 звездочки. Рабочая поверхность толкателя имеет накладки 2 для демпфирования ударных нагрузок при контакте груза 6 с толкателем.
Рис. 11.11. Горизонтальный толкатель с электроприводом
342
Вертикальные толкатели применяют в конвейерном транспорте для реализации различных схем перегрузки: с напольного конвейера на напольный, с напольного конвейера на подвесной, с подвесного на подвесной конвейер, с конвейера на робокар или транспортную тележку.
Перегрузка штучных грузов с одного подвесного конвейера на другой показана на рис. 11.12. Грузы транспортируются в специальной таре 3, имеющей кронштейны для навешивания на подвески 8 конвейеров 1 и 10. Каждая подвеска подвесного конвейера несет адресоноситель 9 штыревого типа. Адрес считывается с помощью адресоприемников 2, установленных на позиции перегрузки. Перегрузка осуществляется автоматически по командам, подаваемым адресоприемниками. Перегрузочное устройство имеет два вертикальных толкателя 5 и б и два горизонтальных переталкивате-ля 4 и 7, с помощью которых осуществляется перегрузка с правого конвейера на левый и обратно. Работа устройства заключается в поочередном срабатывании вертикального толкателя (5 или 6), горизонтального пере-талкивателя (4 или 7), захватов 8 левого или правого подвесных конвейеров (7 или 70)
Рис. 11.12. Схема перегрузки тарных штучных грузов с помощью вертикальных толкателей с одного подвесного конвейера на другой
Рычажные перегружатели применяют при загрузке и разгрузке напольных и подвесных конвейеров различного технологического назначения: для загрузки и разгрузки робокар, транспортных тележек, подъемников, штабелеров и другого оборудования в автоматизированных складах ГПС.
Конструкция рычажных перегружателей зависит от размеров и массы перегружаемого груза, его конфигурации и т.д., от типа устройства, на которое перегружаются грузы, от технологических требований к перегрузочному процессу.
343
К рычажным перегрузочным механизмам относятся однозвенные рычаги с приводом от гидро- или пневмоцилиндров (рис. 11.13). Шарнирный рычаг 5, перемещающийся в горизонтальной плоскости, установлен на основании 3 с помощью шарнира 4. Рычаг предназначен для перегрузки груза 6, транспортируемого роликовым конвейером 8, на два других роликовых конвейера 7 и 7. До подхода груза на позицию перегрузки с помощью гидроцилиндра 2 рычаг 5 устанавливается в нужное положение. После подхода груза гидроцилиндр 2 перемещает рычаг 5, переталкивая груз на
Рис. 11.13. Горизонтальный рычажный перетру- Рис. 11.14. Вертикальный рычажный жатель	перегружатель
Простейший рычажный перегружатель 2 (рис. 11.14), работающий в вертикальной плоскости, установлен с помощью шарнирного соединения 7 на основании 8 и перемещается гидроцилиндром 7 на угол около 90°. Однозвенный рычаг предназначен для перемещения тарных грузов 5, транспортируемых подвесным конвейером 4 на ленточный конвейер б, расположенный под углом 90° к трассе подвесного конвейера. В момент подхода подвески 3 с грузом к перегружателю срабатывает путевой переключатель конвейера и шток гидроцилиндра 7 двигает рычаг, который перемещает груз на конвейер. Конструкция подвески конвейера 4 должна поэтому быть приспособлена для перемещения с нее груза рычагом.
Рычажные толкатели применяют в тех случаях, когда нецелесообразно использовать гидро- и пневмотолкатели из-за конструктивной сложности подачи сжатого воздуха, отсутствия места для размещения гидростанции и т.д. В этих случаях можно использовать шарнирно-рычажные механизмы с электрическим приводом (рис. 11.15).
Шарнирно-рычажный механизм с электрическим приводом используется для выталкивания тележек из кабины 6 многоэтажного грузового подъемника. Рычажный механизм состоит из двух пар рычагов 5 и 7, расположенных в параллельных плоскостях, и привода, содержащего электродвигатель 7, редуктор 3 и реечную передачу 2, установленных на стене кабины, противоположной направлению выгрузки.
344
Рычаг 5 соединен с рейкой 2, перемещающейся в направляющих, закрепленных на стене кабины. При вращении шестерни 4 рейка перемещается и приводит в движение толкатель. При этом незакрепленный конец рычага 7 перемещается внутри платформы S, а сама платформа перемещается по направляющей 9, выталкивая тележку 11 по рельсовому пути 10 внутри кабины на рельсовый путь 12 вне кабины. Далее тележка перемещается цепным напольным кон
Рис. 11.15. Рычажный толкатель
вейером 13.
Шарнирно-рычажный четырехзвенный механизм (рис. 11.16) применяется для передачи грузов с одного напольного конвейера на другой. К основанию 3 устройства шарнирно прикреплены два рычага 2 и 4, несущие шарнирно закрепленную грузовую платформу 1. При повороте одного из рычагов платформа перемещается (выдвигается и опускается одновременно). Рычаги поворачиваются гидроцилиндром 5 двухстороннего действия.
Рис. 11.16. Шарнирно-рычажный четырехзвенный перегружатель
Устройство позволяет передавать грузы с роликового конвейера 6 на конвейер 10 и обратно. С этой целью концевые части 7 и 9 конвейеров выполнены в виде вил. До подхода груза S, предназначенного для перегрузки, платформа, ширина которой меньше расстояния между зубьями вил, переводится из среднего положения в крайнее. После подхода груза платформа становится в исходное (центральное) положение и снимает груз.
345
11.3.	Автоматизированные склады инструмента и приспособлений
Особенности автоматизированной станочной системы (АСС) зависят в основном от структуры и компоновки ее транспортно-накопительной системы (ТНС), ТНС определяет направление потоков заготовок, инструмента, приспособлений, вспомогательных материалов и т.д.
Поскольку эффективность работы ГПС в значительной степени зависит от рациональной организации потока заготовок, инструмента, приспособлений, рассмотрим возможные варианты построения транспортноскладских систем инструмента и приспособлений (ИП). Наиболее часто встречаются следующие варианты: 1) транспортирование элементов инструмента и приспособлений (ИП) вместе с заготовками с помощью штабелера; 2) транспортирование элементов ИП в специальных контейнерах с помощью штабелера; 3) транспортирование элементов ИП с помощью внутрицеховой (внутрипроизводственной) транспортной системы; 4) перемещение отдельных транспортных систем для элементов ИП.
Вариант 1. Приспособления, инструменты, измерительные средства предварительно подготавливают в центральном накопителе, комплектуют и транспортируют в центральный накопитель заготовок. Число элементов ИП, используемых при обработке, должно быть минимальным, поэтому данный вариант может быть использован только для традиционных станков или для простых станков с ЧПУ. Все элементы ИП, участвующие в обработке заготовки, необходимо транспортировать одновременно.
Вариант 2. Элементы ИП для одной операции перемещаются в отдельном транспортном контейнере. При этом появляется возможность в конце операции возвратить в центральный накопитель контейнер с использованными элементами ИП для сокращения периода их обращения.
Вариант 3. Внутрипрбизводственный транспорт обеспечивает перемещения между отдельными единицами оборудования с помощью автопогрузчиков и/или конвейерных устройств.
Вариант 4. Перемещения элементов ИП к станку и от него обеспечиваются с помощью отдельной замкнутой транспортной системы. Транспортная система при работе по этому варианту обеспечивает подачу всех необходимых элементов ИП в соответствующий момент к определенному станку, а после выполнения рабочего перехода обеспечивает их перемещение к центральному накопителю ИП. Особенность варианта - отсутствие прямой зависимости от других систем участка и гибкость транспортной системы. На рис. 11.17 представлены схемы транспортирования элементов ИП по вариантам 1 - 4.
Исполнения транспортной системы элементов ИП по варианту 4 имеют следующие рассмотренные ниже разновидности:
1)	транспортирование элементов ИП вручную на тележках. Этот способ в настоящее время широко применяют, однако он требует дополнительных затрат рабочего времени, присутствия оператора;
2)	транспортирование с помощью рольганга с электрическим приводом. Элементы ИП из накопителя загружаются в транспортные контейнеры и с помощью рольганга и соответствующей системы управления доставляются к рабочему месту. Рассматриваемая система (рис. 11.18) может быть рационально использована на линиях длиной не более 50 м;
3)	для перемещения элементов ИП используют автопогрузчик. Раз
346
грузка и загрузка транспортируемых контейнеров может выполняться с помощью подвесных конвейеров;
4)	применение для доставки элементов ИП транспортных тележек, автоматически перемещаемых по направляющим. Появляется возможность автоматической загрузки-выгрузки элементов ИП.
5
Рис. 11.17. Схемы складирования и транспортирования элементов инструмента и приспособлений (ИП): а - варианты 1 и 2: 1 - центральный накопитель элементов ИП; 2 - транспортирование элементов ИП; 3- центральный накопитель заготовок; 4 - поток элементов ИП; 5 - подвоз заготовок и элементов ИП; 6 - система подачи заготовок и элементов ИП на станки; 7 - система станков; 8 - многоярусный склад; 9 - штабелер; 10 - диспетчерская; 11 - транспортирование использованных элементов ИП и готовых деталей; б - вариант 3.1- центральный накопитель элементов ИП; 2 - зона подготовки элементов ИП; 3 - центральный накопитель заготовок; 4 - подвоз обрабатываемых заготовок; 5 - многоярусный склад; 6 -штабелер; 7 - диспетчерская; 8 - промежуточный накопитель; 9 - отвод деталей; 10 - транспортирование элементов ИП; 11 - станки с ЧПУ, модули; в - вариант 4\ 1 - центральный накопитель заготовок; 2 - промежуточный накопитель; 3 - переналаживаемая (гибкая) транспортная система; 4 - жесткая транспортная система; 5 - диспетчерская; 6 - центральный накопитель элементов ИП; 7 - зона подготовки элементов ИП
Проблема пересечения транспортных потоков, обеспечивающих доставку заготовок и элементов ИП, может быть решена, например, разнесением транспортных потоков по вертикали. На рис. 11.19 представлена схема расположения транспортных потоков на разных уровнях.
Инструменты и приспособления для работы основного технологического оборудования ГПС могут располагаться в отдельных автоматизированных секциях наладки и комплектации инструмента, входящих в состав
347
Рис. 11.18. Схема складирования и транспортирования инструмента с помощью рольганга с электрическим приводом:
1 - центральный накопитель заготовок; 2 - промежуточный накопитель; 3 - диспетчерская; 4 - накопитель ИП; 5 - станочные модули; 6,7- рольганги для перемещения элементов ИП
Рис. 11.19. Схема складирования и транспортирования инструмента с помощью рольганга с электрическим приводом:
1 - центральный накопитель заготовок; 2 — промежуточный накопитель; 3 — диспетчерская;
4 - накопитель ИП; 5 - станочные модули; 6, 7 - рольганги для перемещения элементов ИП
складского оборудования ГПС. Секции предназначены для хранения, комплектации, сбора и настройки режущего инструмента, инструментальной и крепежной оснастки и приспособлений для станков, а также для приема использованного инструмента.
Для хранения инструмента, инструментальной и крепежной оснастки применяют вращающиеся приводные стеллажи (рис. 11.20). В секции также имеются два оптических прибора для настройки инструмента на размер, приемные столы, перегрузочные устройства.
Рис. 11.20. Вращающиеся стеллажи для хранения инструмента и приспособлений
Система инструментального обеспечения автоматизированного комплекса АЛП-3-1 представлена на рис. 11.21. Центральный магазин 1 инструментов расположен над многоцелевыми станками 11 и 8 и содержит два ряда 348
Рис. 11.21. Складская система инструментального обеспечения автоматизированного комплекса
4 и 5 накопителей инструмента. Для обеспечения вертикального перемещения инструмента от рабочего места оператора к центральному магазину 1 инструментов и обратно служит кассета 6. Разгрузку кассет вверху, а также передачу инструмента в магазины 13 и 14 станков 11 и 8 осуществляют автооператоры 2 и 3. Для загрузки-выгрузки заготовок служат устройства 9 и 10. Автооператор 3 снабжен перегрузочными устройствами 7 и 72, осуществляющими загрузку инструментальных магазинов станков 8 и 11.
Автоматическая смена инструмента в ГПС и автоматизированных комплексах осуществляется двумя способами: одновременно всего магазина инструментов станка и отдельных инструментов в магазине станка.
Автоматическая смена всего магазина инструментов осуществляется на станках в момент смены обрабатываемой заготовки. Установленный
Рис. 11.22. Схема автоматического накопителя инструментальных магазинов
ранее на станке магазин инструментов снимается, а взамен устанавливается другой с инструментом для обработки данной детали. Для реализации смены инструментальных магазинов в этом случае необходим накопитель инструментальных магазинов.
В гибкий производственный модуль 1 с накопителем инструментальных магазинов (рис. 11.22) входит многоцелевой станок 2, оснащенный двумя магазинами инструментов 3 и 9, накопителем 4 магазинов инструментов, накопителем 6 заготовок, позицией загрузки-выгрузки деталей на
349
накопитель 7 заготовок и на станок 8. Накопитель 4 имеет возможность хранить до четырех инструментальных магазинов, он перемещается специальными приводами вдоль осей X, Y и вращается вокруг вертикальной оси.
Для смены любого из двух инструментальных магазинов 3 и 9 станка 2 накопитель 4 перемещается по оси Y к этому станку, забирает ненужный для обработки поступившей заготовки магазин, перемещается в обратном направлении (вдоль оси У), поворачивается так, чтобы требующийся магазин оказался в нужной позиции, вновь перемещается к станку 2 и ставит этот магазин на место магазинов 3 или 9.
Сменные магазины 3 и 9, а также магазины, хранящиеся в накопителе 7, имеют унифицированные посадочные хвостовики 5, с помощью которых магазин фиксируется в заданном угловом и осевом положении либо на станке 2, либо в накопителе 4. Для фиксации и расфиксации магазинов 3 и 9 накопитель 4 имеет привод перемещения по координате X.
11.4. Расчет основных характеристик автоматизированных складов
Определение вместимости автоматизированного стеллажного склада. Основной расчетной характеристикой стеллажного склада является его вместимость, которую определяют, исходя из числа единиц груза (кассет, спутников, поддонов и т.п.), необходимых для обеспечения работоспособности технологического оборудования ГПС.
Вместимость склада рассчитывают на основе средне статической трудоемкости обработки деталей и их месячной программы выпуска. Исходным параметром при расчете является максимальное число Кн деталеуста-новок различных наименований, которые могут быть обработаны на ГПС
(ФсТ (^об ty),
где Фст - месячный фонд работы станка, ч; nCJ - число станков или ГПМ, входящих в ГПС; /Об ~ средняя трудоемкость обработки одной деталеуста-новки, ч; N - средняя месячная программа выпуска деталей одного наименования.
Если в ГПС входит семь станков (ист = 7) с месячным фондом при двухсменной работе Фст = 305 ч при средней трудоемкости обработки одной деталеустановки to6 = 0,7 ч и месячной программе выпуска деталей одного наименования N = 20 шт., то число деталей установок, которые могут быть обработаны на комплексе, кн = (305-7)/(0,7- 20) = 152 шт. Следовательно, с учетом 10 % запаса требуемая вместимость стеллажа 167 ячеек.
Расчет числа позиций загрузки и разгрузки стеллажного склада. Позиции загрузки и разгрузки различаются тем, что на первой осуществляется установка заготовки в приспособление, а на второй - деталь снимается с приспособления.
Необходимое число позиций
^поз
/ Лдет/(60ФПОЗ),
где t - средняя трудоемкость операции на позиции (только загрузки или разгрузки, если операции разделены, или суммарная, если обе операции
350
выполняются на одной позиции), мин; &дет - число деталеустановок, проходящих через позицию в течение месяца, шт.; Фпоз - месячный фонд времени работы позиции
^дет
Например, если среднее время установки заготовки в приспособление-спутник (палету) t3 = 5 мин, а разгрузки обработанной детали tp = 3 мин, то при ки = 152 число деталеустановок кдет = 152- 20 = 3040 шт. Необходимое число позиций загрузки ип03.3 = (5 • 3040)/(305 • 60) = 0,83, а число позиции разгрузки п = (3 • 3040)/(305 • 60) = 0,495.
Расчет числа механизмов перегрузки, обслуживающих стеллажный склад. Штабелер Шт1 (рис. 11.23), расположенный со стороны станков, должен передавать спутники с заготовками со стеллажа на станки и со станка на станок, если деталеустановка обрабатывается на нескольких станках последовательно, а также передавать спутники с обработанными деталями со станка на стеллажный склад.
Ст! Cm2
Cm3 Ст4 Ст5
Стб Ст7
Склад (стеллаж)
Шт 2---►
К!
К2
Загрузка Разгрузка
Рис. 11.23. Схема расположения штабелеров в ГПС: Шт - штабелер; Ст - станки; К - позиции контроля
Штабелер Шт2, расположенный со стороны позиции загрузки, разгрузки, контроля, должен подавать пустые спутники на позицию загрузки, устанавливать загруженные спутники в стеллаж, доставлять спутники с деталями на позиции контроля и разгрузки. Для определения числа штабелеров со стороны позиций загрузки-разгрузки и контроля необходимо установить число перемещений штабелера Шт2 в этой зоне. Число перемещений штабелера Шт2 (таблица) определяется технологическим маршрутом обработки, принятой стратегией контроля деталей, номенклатурой, месячной программой выпуска и другими факторами.
Число перемещений штабелера Шт2
Позиция, к которой движется штабелер	Позиция, от которой движется штабелер				
	Загрузка-разгрузка 1	Загрузка-разгрузка 2	Контроль 1	Контроль 2	Стеллаж
Загрузка-разгрузка 1	—	—	305	—	1215
Загрузка-разгрузка 2	—	—	—	305	—
Контроль 1	—	—	—	—	915
Контроль 2	—	—	—	—	915
Стеллаж	1520	1520	610	610	—
351
Зная расстояние между позициями и скорость перемещения штабелера, можно рассчитать суммарное время работы штабелера Шт2, ч:
kt +к t
Т = с п с п п.п п.п обсл "	60
где кс,п - число перемещений между стеллажами и позициями; tc,п. - среднее время передачи спутника со стеллажа на позицию, мин; кп п - число перемещений между позициями; Zn n - среднее время передачи спутника с позиции на позицию, мин.
Время выполнения штабелером одной передачи спутника определяется временем отработки им двух кадров управляющей программы. Время передачи спутника штабелером, мин
где /1 - время отработки кадра «Подойти к месту, где находится спутник, и взять его», мин; /2 - время отработки кадра «Подойти к месту, куда надо поставить спутник», мин; t\ = 4+ Люд+ 4+ h = 4+ Аюд+ *п , где /к - время расчета и передачи кадра от ЭВМ на локальную систему ЧПУ, управляющую штабелером, мин; /под- время подхода к заданному месту, мин; t\ -время работы цикловой автоматики телескопического стола штабелера на выполнение операции «Взять спутник», мин; /п - время работы цикловой автоматики телескопического стола штабелера на выполнение операции «Поставить спутник», мин.
Обычно ZK« 1,5...10 с, = tn = 10...15 с.
Время подхода штабелера к заданной точке
под
где /х и /у - длина перемещения штабелера по осям X и К; ух и уу - скорость перемещения штабелера вдоль осей X и У, м/мин.
Для упрощения расчетов можно пользоваться средней величиной перемещений, вдоль каждой оси Хи К, м:
I =\l ср £j4r>
где lij - расстояние от z-й доу-й точки перемещения штабелера Шт2, м; п -число принятых перемещений.
Рассчитав суммарное время обслуживания станков, можно определить число штабелеров для обслуживания автоматизированного стеллажного склада. Коэффициент загрузки штабелера
загр
^обсд/Фш ,
где Фш - фонд времени работы штабелера, ч.
Если ^загр< 1, достаточно иметь один штабелер Шт2, если &загр> L то необходимо иметь два штабелера.
Расчет характеристик центрального магазина (склада) инструментов. Многономенклатурные ГПС с высокой степенью автоматизации включают в себя помимо складов деталей автоматизированные
352
центральные магазины (склады) инструментов. Основной расчетной характеристикой центрального магазина инструментов является его вместимость, которая определяется числом инструмента, требующегося для обработки заданного числа деталеустановок.
Суммарное число инструментов, необходимых для обработки всей номенклатуры деталеустановок в течение месяца,
^ИН к\ i
где к\ - число инструментов для обработки всей номенклатуры деталеустановок, шт.;
к\ (кн ^об)/^ин з
здесь /ин - среднее время работы одного инструмента, мин; к^ — число дублеров инструмента для обработки месячной программы деталеустановок, kJ{ = Ид Лн, где пл - среднее число инструментов-дублеров на одну детале-установку.
Дублеры необходимы для инструмента с малой стойкостью (сверла малого диаметра, метчики, развертки и т.д.).
Предположим, на ГПС обрабатываются деталеустановки 152 наименований. Если средняя трудоемкость обработки одной деталеустановки составляет 45 мин, среднее время работы одного инструмента 3 мин, а среднее число инструментов-дублеров на каждую деталеустановку 2 шт., то к} = (152 • 45)/3 = 2280 шт.; kR= 2-152 = 304 шт.; ки„= 2280+304 = 2584 шт.
При шаге /г=126мм вдоль всех семи станков (С/п1...Сди7) (см. рис. 11.23) при расстоянии между крайними станками 45400 мм в один ряд могут быть размещены только 360 инструментов. В магазинах семи станков располагаются 420 инструментов (по 60 инструментов в магазине каждого станка). Если стеллажный инструментальный магазин выполнить двухрядным, то на ГПС может находиться одновременно 360 • 2+420= 1140 ин
12-42
Рис. 11.24. Схема инструментального магазина ГПС:
ИЦ1, ИЦ2 - центральные магазины инструментов; АИ1, АИ2 - автооператоры инструмента; К1 - кассета, осуществляющая подъем инструмента в инструментальный магазин;
Ст}... Ст7 - станки с ЧПУ, входящие в автоматизированный станочный комплекс
353
струментов. Поэтому часть инструмента, которая не размещается в двух рядах центрального магазина инструмента, целесообразно хранить вне ГПС и по мере необходимости устанавливать его в стеллаж взамен ненужного в ближайшее время.
В этом случае центральный инструментальный магазин целесообразно разместить в соответствии с планировкой, представленной на рис. 11.24.
Производительность смены инструмента, которую должна обеспечить кассета, шт./ч,
^кас (^ин Щ) Фк ?
где £ин - число инструментов, необходимое для обработки всей номенклатуры деталей, шт.; т - коэффициент, учитывающий размер партии обрабатываемых деталей; Фк - месячный фонд работы кассеты, принятый равным 305 ч. Если принять Лин = 2500, т = 1,5, то, икас = (2500-1,5)/ЗО5«12 шт./ч.
Таким образом, кассета К1 должна обеспечивать замену одного инструмента через каждые 5 мин.
Расчет числа автооператоров, расположенных со стороны станков. Автооператор, расположенный со стороны станков, обеспечивает доставку инструмента из ближайшей к станкам линии накопителя центрального магазина инструментов в инструментальные магазины станков и обратно. Чтобы определить необходимое число автооператоров, работающих со стороны станков, необходимо знать число смен инструментов в магазинах станков в течение месяца и среднее время одной смены.
Суммарное время, затрачиваемое автооператором на обслуживание магазинов станков, ч
и
где Асм - число смен инструмента на одном станке в течение месяца; tCM -среднее время смены одного инструмента, мин; п - число станков (модулей) в ГПС, шт.
Суммарное число смен инструмента в ГПС в течение месяца
^СМ ^ИН ^“^Ац.СМ 5
где Ад.см число дополнительных смен инструмента в магазинах станков, связанное с некомплектностью его размещения,
Д.СМ
где 2 - коэффициент, учитывающий ввод и вывод одного инструмента; яин - число инструментов, не помещающихся в магазине станка; N - месячная программа выпуска деталей, шт.; кд - число наименований деталеустановок, обрабатываемых на ГПС, шт.; пд - число деталеустановок, одновременно обрабатываемых на станке, шт. Если £ин = 2500 шт., 7V=15 шт., т » 1,5, иин = 2 шт. то £дсм = 2-2-15 (152/3) = 3000, а суммарное число смен инструмента на ГПС Лсм = 2500 • 1,5 + 3000 = 6750 шт.
354
Рассчитав суммарное время, необходимое на обслуживание станков, можно определить число автооператоров. Для этого рассчитывают коэффициент загрузки автооператора
загр
^обсл/Фа 9
где Фа - месячный фонд времени работы автооператора, ч.
Если &загр>1, то необходимо предусмотреть наличие в инструментальном магазине не менее двух автооператоров для обслуживания станков, входящих в ГПС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Гибкие производственные комплексы / Под ред. П.Н. Белянина и В.А. Лещенко. - М.: Машиностроение. 1984. - 384 с.
2.	Гибкие производственные системы, промышленные роботы, робототехнические комплексы. В 14-ти кн.: Кн. 4 / Л.И. Волчкевич, Б.А. Усов.
3.	Транспортно-накопительные системы ГПС: Практ. пособие / Под ред. Б.И. Черпакова. - М.: Высшая школа, 1989. - 112 с.
4.	Лапкин Ю.П., Малкович А.С. Перегрузочные устройства: Справочник. Л.: Машиностроение. 1984. - 224 с.
5.	Смехов А.А. Автоматизированные склады, 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1987.-296 с.
6.	Типовые комплексно-автоматизированные участки типа АСВ из оборудования с ЧПУ с применением ЭВМ: Методические рекомендации. М.: ВНИИТЭМР. 1985. - 40 с.
Глава 12.
УПРАВЛЕНИЕ В ГИБКОМ АВТОМАТИЗИРОВАННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
12.1. Архитектура локальной вычислительно-управляющей сети
Система управления гибким интегрированным производством представляет собой сообщество локальных систем управления, компьютеров, мостов, шлюзов, транспортных станций, которые поддерживают внутреннюю интерактивность, а также интерактивность с техническим и административным персоналом. Коммуникационная Среда в этом сообществе реализована в виде иерархической локальной вычислительно-управляющей сети, состоящей из отдельных подсетей в качестве элементов иерархии. Сетевая иерархия выстроена в соответствии с иерархией задач управления. Таким образом, возникает и иерархия информационных потоков, которые замкнуты в пределах горизонтального «этажа», но взаимодействуют между собой.
Снизу иерархическая система управления гибким интегрированным производством представлена множеством проблемно-ориентированных процессоров, составляющих распределенную систему (рис. 12.1). Каждый процессор является программно-аппаратным управляющим автоматом с функциями, определяемыми особенностями управляемого объекта. Геометрический процессор служит для управления позиционными следящими приводами (станка, робота); программируемый контроллер предназначен для управления циклически работающими дискретными приводами (стан-
Рис. 12.1. Иерархическая система управления гибким интегрированным производством
356
ка, робота, накопительного устройства, манипулятора, транспортного средства); технологический процессор управляет основным рабочим процессом (процессом резания на станке, рабочим процессом технологического робота).
Проблемно-ориентированные процессоры технологической или вспомогательной машины (станка, робота, склада, транспортного средства) образуют группу, активно обменивающуюся информацией в реальном времени. Процедура обмена может быть децентрализованной (floating master) или протекать под управлением диспетчера (master-slave), который также выполнен в виде процессорного модуля.
Коммуникационная Среда проблемно-ориентированных процессоров и диспетчеров построена как микро-локальная подсеть (fieldbus) реального времени, которая состоит из отдельных сегментов, в количестве, соответствующем количеству диспетчируемых групп. К микро-локальным сетям реального времени предъявляют высокие требования по быстродействию, качеству исполнения и надежности. В области стандартизации протоколов таких сетей наиболее популярны стандарты Bitbus (фирма Intel, США), Profibus (фирмы Siemens, Bosch, Klockner-Moeller, ФРГ), FIP (стандарт Flux d’Informations issues de (versle) Processus, Франция).
Выше по иерархии в системе управления гибким интегрированным производством находятся терминалы локальных систем управления (станком, роботом, транспортным средством), а также терминальные станции гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных ячеек (ГПЯ). Терминалы выполняют как функции интерфейсов оператора, так и функции формирования пакетов заданий локальным системам управления. Терминальные станции служат в ГПМ и ГПЯ тем же целям, а также выполняют диспетчерские функции для систем управления ГПМ и ГПЯ. Коммуникационная Среда этого горизонта иерархии должна предоставлять высокоуровневый сервис своим абонентам. Следует исходить из вероятности подключения к среде разнообразных, в том числе и несовместимых, средств вычислительной техники. В этой связи здесь и выше по иерархии рекомендуют мощные протоколы ISO-OSI (Open System Interconnection), соответствующие стандартам ISO архитектуры открытых систем.
По инициативе фирмы General Motors предпринята и реализована программа «Протоколы автоматизации производства» - MAP (Manufacturing Automation Protocol), которая содержит конкретные указания по применению стандартов в семиуровневой системе протоколов, отвечающей требованиям архитектуры открытых систем. Протоколы МАР обеспечивают детерминированный доступ абонентов к локальной сети, что удобно для передачи коротких управляющих информационных посылок, требующих быстрой реакции.
Скорость реакции должна быть тем более высокой, чем ниже расположена подсеть, входящая в общую иерархическую сеть системы управления. По этой причине во второй снизу подсети применяют урезанную версию протоколов МАР, в которой ряд уровней эталонной модели ISO-OSI отсутствует. Эта версия протоколов получила наименование Mini-MAP.
В третьей снизу подсети иерархии в системе управления гибким интегрированным производством расположены терминальные центры гибких производственных систем (ГПС). Каждый центр представляет собой развитую вычислительную систему с широким набором периферийных
357
средств. Функции центра состоят в поддержании интерфейса оператора, обеспечении формирования пакета заданий для ГПС, организации оперативного управления.
Коммуникационная Среда третьей (снизу) подсети в иерархии предполагает полномерную версию протоколов МАР. Следующая подсеть при продвижении вверх по иерархии принадлежит инженерным службам, в числе которых CAD-служба (Computer-Aided Design, САПР), САЕ-служба (Computer-Aided Engineering - технологическая подготовка производства), САРР-служба (Computer-Aided Product Planning - планирование производства). В составе этой же подсети находится служба административного управления, формирующая целеуказания. Функции служб традиционны, однако принципиально необходима организация связи компьютерных средств на основе единых информационных представлений.
Коммуникационная Среда инженерно-административных служб имеет свою специфику: здесь требуется поддержка перемещения больших файлов; загрузка сети носит пиковый характер; скорость ответной реакции абонента может быть невысокой. В этих условиях оптимальны протоколы класса TOP (Technical and Office Protocol, протоколы административноинженерных служб), разработка которых осуществлена фирмой Boeing (США).
Протоколы МАР и ТОР во многом совместимы, а основное их различие проявляется на нижних уровнях вертикального сечения Коммуникационной Среды. Здесь протоколы ТОР поддерживают случайный доступ к локальной сети.
Иерархия задач управления создает иерархию информационных потоков, замкнутых в пределах своего горизонта, но и осуществляющих взаимодействия по вертикали. Информационный поток каждой подсети в сетевой иерархии поддерживается оптимальной для этой подсети системой протоколов. При этом вычислительно-управляющая локальная сеть оказывается расчлененной на несколько несовместимых подсетей. Для их объединения применяют шлюзы, транспортные станции, мосты. Шлюзы применяют при полной несовместимости подсетей, а транспортные станции и мосты - при их частичной несовместимости.
Вследствие широкого разнообразия программно-аппаратных средств, используемых в составе системы управления на первый план выдвигается проблема стандартизации Коммуникационной Среды.
Далее представлена спецификация протоколов отдельных подсетей полной системы управления гибким интегрированным производством. Протоколы Bitbus предложены фирмой Intel (США) для организации экономичной по стоимости и высокоэффективной по быстродействию связи систем управления в реальном времени. Протоколы выстраивают Коммуникационную Среду в виде четырехуровневой системы: электрический интерфейс, канальные протоколы, транспортные протоколы, прикладные протоколы.
За электрический интерфейс принят стандарт RS-485, который представляет собой расширенную версию RS-422. Физическим каналом служит кабель из одной-двух скрученных пар. К одному сегменту кабеля возможно подключение до 28 узлов; если сегменты соединены повторителями, то общее число узлов может достигать 250. Напряжение на линии составляет ±7В.
358
Для передачи информации с большой скоростью (до 2,4 Мбод) на небольшие расстояния (до 30 м) используют синхронный режим. В этом случае необходимы две скрученные пары: одна для данных, а другая для синхросигналов. Асинхронный режим имеет две стандартные скорости 375 и 62,5 Кбод для передачи соответственно на расстояния до 300 и 1200 м. В этом режиме достаточна одна скрученная пара, если передача осуществляется в пределах одного сегмента. В многосегментной сети возникает необходимость управления передатчиками в повторителях, и тогда дополнительно привлекается вторая скрученная пара.
Канальные протоколы относятся к подмножеству известных протоколов SDLC (Synchronous Data Link Control) фирмы IBM (США). Структура кадра, передаваемого на канальном уровне, имеет вид, показанный ниже.
Флаг 01111110	Адрес ведомого (slave), привлекаемого в трансакции	Управляющее поле; служит для указания типа передачи	Передаваемое сообщение	Контрольное поле (16-разряд-ный корректирующий код)	Флаг 01111110
Указанная структура формируется коммуникационным контроллером МС 68854 фирмы Motorola (США) или микроконтроллером Intel 8344 фирмы Intel (США).
На транспортном уровне передающий узел формирует сообщение, которое затем на канальном уровне вставляется в соответствующее поле кадра. Принимающий узел на транспортном уровне извлекает сообщение из кадра канального уровня. Структура сообщения транспортного уровня приведена ниже.
Длина сообщения (1 байт) t			
Управление маршрутизацией в сложных сетях (2 байта)			
Тип сообщения: команда, ответ	Указатель: прямая передача команды или из другой сети	Указатель: прямое получение команды или в другую сеть	Резерв
Адрес узла (3 байта)			
Имена задач (4 байта)			
Задачи источника		Задачи получателя	
Команда, ответ (5 байтов)			
Данные (до 13 байтов)			
Для организации работы прикладного уровня в каждом узле имеется интерфейсная задача, называемая «Удаленный доступ и управление, RAC (Remote Access and Control)». В табл. 12.1 представлен список интерфейсных команд, позволяющих осуществлять удаленный доступ и управление задачами. Команды вставляются в транспортное сообщение в узле-источнике и извлекаются из транспортного сообщения в узле-получателе.
359
12.1. Интерфейсные команды для осуществления удаленного доступа
Команда	Значение	Комментарий
READ I/O	Читать вход/выход	Запросить вход/выход удаленного устройства, получить ответное сообщение
WRITE I/O	Писать во вход/выход	Передать байт на вход/выход удаленного устройства
UPDATE I/O	Обновить вход/выход	Передать байт на вход/выход удаленного устройства, прочитать и получить в ответном сообщении
OR I/O, AND I/O, XORI/O	Выполнить логическую операцию на входе-выходе	Выполнить логическую операцию (ИЛИ, И, исключающее ИЛИ) над передаваемыми данными и содержимым вхо-да/выхода удаленного устройства, получить результат в ответном сообщении
READ INTERNAL MEMORY, UPLOAD EXTERNAL MEMORY	Читать внутреннюю память, внешнюю память	Прочитать область внутренней (внешней) памяти удаленного устройства, получить результат
WRITE INTERNAL MEMORY, DOWNLOAD EXTERNAL MEMORY	Писать во внутреннюю память, во внешнюю память	Записать данные в область внутренней (внешней) памяти удаленного устройства
GET FUNCTIONS	Получить список задач	Получить список восьми идентификаторов задач, выполняемых параллельно в удаленном устройства
GREATE TASK, DELETE TASK	Создать задачу, удалить задачу	Обратиться к операционной системе удаленного устройства с целью создать (удалить) задачу
RAC PPOTECT	Обратиться к интерфейсной задаче RAC	Приостановить (возобновить) работу интерфейсной задачи
RESET DEVICE	Сбросить устройство	Перевести математическое обеспечение устройства в состояние начальной инициализации
Прокомментируем спецификации протоколов МАР И ТОР. Для ранней версии 2.1 протоколов МАР такие спецификации представлены в табл. 12.2.
12.2. Спецификация протоколов МАР версии 2.1
Наименование протокольного уровня	Рекомендуемые стандарты
Прикладной (7)	ISO FT AM: подмножество стандарта ISO CASE: ядро GM (General Motors) MMFS: язык сообщений для реального времени
Представительский (6)	Уровень пуст
Сессионный (5)	Сессионный стандарт ISO: ядро
Транспортный (4)	Транспортный стандарт ISO: класс 4
Сетевой (3)	Межсетевой стандарт ISO: без предварительного установления связи
Канальный (2)	IEEE 802.2LLC: класс 1 IEEE 802.4МАС: жезловая передача
Физический (1)	IEEE 802.4: кабель с широкополосной передачей, 10 Мбод
На нижнем протокольном уровне применяют коаксиальный кабель, работающий в режиме широкополосной передачи. Частотное мультиплек
360
сирование каналов позволяет передавать по кабелю цифровую, аудио- и видеоинформацию.
MAC (Medium Access Control) - подуровень (подуровень доступа) канального уровня построен на основе стандарта IEEE 802.4. Детерминированный жезловый доступ гарантирует определенное время сетевой реакции; организация такого доступа обходится более сложными и дорогими средствами, чем при использовании случайного доступа CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). LLC (Logical Link Control) -подуровень (подуровень логической связи) соответствует классу 1 стандарта IEEE 802.2 и работает без предварительного установления связи, а транспортный уровень, ориентированный на транспортные протоколы ISO класса 4, оказывает услуги с предварительным установлением связи. В целом система МАР версии 2.1 работает с предварительным установлением связи. Это значит, что связь двух абонентов должна быть организована прежде, чем она будет использована для передачи сообщений; затем эта связь должна быть уничтожена. Работа в условиях гибкого производства требует противоположного: сеансы связи коротки и есть нужда в широковещательных передачах. По этой причине существуют предложения о включении в стандарт МАР протоколов, не требующих предварительного установления связи.
На прикладном уровне использованы многие разработки фирмы General Motors. На начальном этапе в состав стандарта МАР был включен стандарт MMFS (Manufacturing Message Format Standard) на форматы сообщений для станков, роботов и программируемых контролеров. С самого начала этот стандарт считался временным. Версия 3.0 протоколов МАР рассматривается как достаточно стабильная. Основное отличие от ранних версий относится к верхним уровням.
На смену MMFS пришел стандарт EIA RS511, который пополняется документами, определяющими коммуникацию с самым разнообразным оборудованием. Интерфейс прикладного уровня расширен за счет использования полной нотации ISO FTAM (File Transfer, Access and Management), которая предусматривает не только передачу файлов, но и удаленное установление прав доступа, единовременное обнаружение-обновление записей. Заведены директориальная служба и служба сетевого управления. Различия на нижних уровнях уже существовали, начиная с версии 2.2. Спецификация МАР версии 3.0 показана в табл. 12.3.
12.3. Спецификация протоколов МАР версии 3.0
Наименование протокольного уровня	Рекомендуемые стандарты
Прикладной (7)	Полная нотация ISO FTAM и сопутствующие документы Служба сетевого управления Директориальная служба
Представительский (6)	Представительский стандарт ISO
Сессионный (5), транспортный (4), сетевой (3)	Аналогично версии 2.1
Канальный (2)	IEEE 802.3 LLC: класс 1 IEEE 802.4 МАС: жезловая передача ISA PPOWAY: расширения IEEE 802.2 LLC: класс 3
Физический (1)	IEEE 802.4: кабель с широкополосной передачей, 10 Мбод IEEE 802.4: кабель с передачей на постоянной несущей частоте, 5 Мбод
361
Система МАР как таковым стандартом не является. Эволюция проекта МАР состояла в отборе подходящих спецификаций. С момента стабилизации на уровне версии 3.0 растет число микроэлектронных (аппаратных) средств, поддерживающих отдельные протоколы целостной системы.
Существует мнение, что локальная MAP-сеть со скоростью передачи в канале, составляющей 10 Мбод, удовлетворяет всем производственным требованиям, включая требования управления в реальном времени. Между тем, быстродействие в 10 Мбод существует лишь на физическом уровне, а на прикладном уровне составляет не более 20 Кбод. Таким образом, применение для управления в реальном времени полномерной семиуровневой системы МАР проблематично и в силу избыточности (функциональной, временной) протоколов, и в силу высокой стоимости коммуникации.
Полномерная модель МАР разрешает пользователю вход в систему с каждого уровня через так называемый «нерегулярный интерфейс пользователя (exposure user interface)», создавая обходы уровней для преодоления избыточности протоколов. Хотя такой подход разрушает «чистую идею» МАР, он стал легальным в Mini-MAP системе, в которой были изъяты уровни (6) ... (3), а на прикладном уровне (7) разработан специальный интерфейс прикладных программ, получивший наименование ЕРА (Enhanced Performance Architecture - архитектурное расширение). В дополнение к тому внесены изменения и на двух нижних уровнях. На смену классу 3 стандарта 802.2 пришел класс 1 того же стандарта, сделав допустимым информационный обмен (как простой, так и подтверждаемый) без предварительного установления связи. Более мощная, но и более дорогая широкополосная техника уступила место технике передачи на постоянной несущей частоте.
Узлы Mini-MAP сети называют узлами ЕРА (рис. 12.2). Трехуровневый (если считать физический кабель) коммуникационный интерфейс таких узлов прост (а следовательно, реализуется недорогими средствами) и обеспечивает эффективную передачу данных в пределах Mini-MAP сети.
Узел МАР-ЕРА
Узел ЕРА
Рис. 12.2. Схема подключения узлов к единому кабелю МАР сети Mini-MAP
362
На одном и том же физическом кабеле можно осуществить частотное мультиплексирование, т.е. одновременно вести широкополосную передачу для сети МАР и передачу на постоянной несущей частоте для сети MiniMAP. К такому единому кабелю подключают как узлы ЕРА, так и узлы МАР-ЕРА. Последние содержат полный семиуровневый набор МАР и трехуровневый набор Mini-MAP, т.е. служат шлюзами между сетями МАР и Mini-MAP. Подобные шлюзы являются, например, компонентами терминальной станции ГПЯ, транспортной станции (см. рис. 12.1).
Различие протоколов МАР и ТОР проявляется на нижних уровнях модели ISO-OSI, где протоколы ТОР аналогичны Ethernet, т.е. отвечают стандарту 802.3 CSMA/CD с прямой немодулированной передачей. Подобное решение целесообразно преимущественно для вычислительной техники офисов и инженерных служб. МАР и ТОР различаются также и на прикладном уровне, где протоколы ТОР ориентированы на электронную почту, продвижение сообщений и официальных документов, а также и на другие нужды, свойственные административным и инженерным задачам. Спецификация протоколов ТОР приведена в табл. 12.4.
12.4. Спецификация ТОР версии 1.0
Наименование протокольного уровня	Рекомендуемые стандарты
Прикладной (7)	ISO FT AM
Представительский (6), сессионный (5), транспортный (4), сетевой (3)	Аналогично МАР версии 2.1
Канальный (2), физический (1)	IEEE 802.3 CSMA/CD MAC 10: базовый вариант 5
Отдельные уровни многоуровневой модели ISO-OSI могут быть реализованы аппаратно, программно-аппаратно, программно; и в своей совокупности образуют сетевой интерфейс компьютера, системы управления. Чисто физически интерфейс изготовляют в двух видах: в виде плат и в виде автономных приборов. В первом случае интерфейс состоит, например, из двух плат. Одна представляет собой контроллер, имеющий интерфейс со стандартной магистралью компьютера, системы управления. Другая плата может быть, например, модемом для поддержания широкополосной передачи или передачи на постоянной частоте. Под стандартной магистралью понимаются Multibus, VME-bus, PC-bus.
Автономный прибор является по сути шлюзом. Он соединяется с компьютером по последовательному каналу. Такое решение сильно снижает общее быстродействие. Однако на ранних этапах внедрения сетевых систем управления решение часто бывает приемлемым.
Физический уровень и подуровень МАС выполнены обычно чисто аппаратно средствами микроэлектроники. Верхние уровни реализованы программным путем. Вопрос в том, какой процессор поддерживает эту реализацию. Интерфейсы в виде плат называют семиуровневыми. Это означает, что все сетевые процессы Коммуникационной Среды поддерживаются отдельным процессором, который освобождает основной компьютер от задач сетевой коммуникации. В случае же использования автономного прибора верхние уровни работают в операционной среде основного компьютера. И в этом еще одно слабое место такого решения.
Выделение сегментов и подсетей с разными протоколами в составе полной вычислительно-управляющей сети приводит к необходимости во
363
вспомогательных устройствах служебного назначения: повторителей, мостов, транспортных станций, шлюзов. Определим структуру этих устройств в терминах семиуровневой модели ISO-OSI.
Повторитель объединяет сегменты А и В одной и той же сети на физическом уровне и является для жезла (если использован жезловый доступ) абсолютно прозрачным устройством (рис. 12.3, а).
Пользователь
Шлюз д
Рис. 2.3. Вспомогательные устройства служебного назначения вычислительно-управляющей сети:
а - повторитель; б - мост; в - транспортная станция; г - симметричный шлюз; д - несимметричный шлюз
364
Мост (рис. 12.3, б) обеспечивает развитие прозрачных сетевых функций из одной подсети в другую на канальном уровне (точнее, на подуровне доступа). Здесь прозрачность означает, что два пользователя в различных подсетях, обменивающиеся между собой информацией, о существовании моста не подозревают. Поскольку мост является устройством, предоставляющим услуги нижнего подуровня канального уровня, он может объединять подсети, в которых эти услуги одинаковые, например, предусмотрена жезловая дисциплина разделения канала. Мост является независимым держателем жезла в каждой подсети. Независимые жезлы перемещаются в каждой подсети, не пересекаясь на мосту. Сетевые устройства каждой подсети знают о том, что мост является еще одним держателем жезла лишь на канальном уровне. Одинаковые подсети можно объединять мостами без внесения в них каких-либо изменений.
Мост попросту передает поступающий из одной подсети кадр дальше, в другую подсеть, не выполняя при этом никаких вычислительных действий (в том числе и контроля корректирующего кода). Кадры, поступающие в мост с одной стороны, сохраняются в памяти до тех пор, пока не поступит жезл с другой стороны. Соблюдается живая очередь кадров. Движение через мост не должно превышать по объему 20 % от движения информации в подсети (в противном случае считают, что подсети сформированы неудачно). Буферная память моста должна быть такой, чтобы справляться с пиковыми нагрузками. Транспортные станции (рис. 12.3, в) являются накопителями информации. Они непрозрачны для узлов сети, и их сетевые адреса должны быть известны во всех узлах сети. Поскольку здесь предоставляются услуги сетевого уровня, объединяемые транспортной станцией сети могут быть различными (например, с различной дисциплиной разделения канала).
Шлюзы (рис. 12.3, г) объединяют сети (подсети) различной архитектуры путем трансляции протоколов одной сети в протоколы другой. Шлюзы используют в своей структуре все семь уровней модели ISO-OSI; они непрозрачны и имеют различные адреса со стороны различных сетей. Шлюзы необязательно симметричны (рис. 12.3, д) и могут объединять сети, одна из которых соответствует архитектуре ISO-OSI, а другая построена на основе специальной Коммуникационной Среды и специальных протоколов связи.
12.2. Управление на уровне локального объекта
Управление на уровне локального объекта - это задача для нижнего горизонта иерархии управляющих средств гибкого интегрированного производства. Под локальными объектами понимают станки, роботы, склады, транспортные средства. При построении системы управления локальным объектом используют один и тот же подход, который рассмотрен на примере распределенной системы ЧПУ металлорежущего станка.
Современная управляемая производственная машина (станок, робот, склад, транспортное средство) несет в себе элементы механизации, электронной автоматизации и информационно-вычислительного обеспечения. Эти элементы образуют многоуровневую иерархическую структуру, построенную так, чтобы наиболее полно удовлетворить запросы пользовате-
365
ля. Каждый уровень отражает последовательное преобразование исходной машины в машину пользователя, т.е. в виртуальную машину (рис. 12.4).
Задание типа ..что сделать'т—
Персональный компьютер
Индикация д окнах
Сценарий диалога .
Задание типа .как сделап'г—
Сообщения задач
Система ЧПУ
Конфигурация
Iзадач
Шаги заданий
Обменные данные
—\и сигналы синхронизации
Параметры движении -
Автоматы- задачи
_______ЧПУ
 Содержание задач^ J1*
|1	Сигналы освевоми-
	V :тельные и с датчиков
~3лёктрбмёхойшчёскйё [обратной связи приводы	=j---
Значения констант
Силомоментные воздействия--
Диагностические
—сигналы
Механические узлы
Диагностическая модель
Параметры I режимов г—
Рабочий процесс
ТйгналыдапГ-чиков рабочего -*-* процесса
Модель рабочего процесса
Рис. 12.4. Структурная схема виртуальной машины для станка с системой управления типа ЧПУ
Технологические функции станка определены его обобщенным технологическим процессом (см. нижний уровень иерархии виртуальной машины). Параметры процесса образуют многомерное фазовое пространство с числом координатных осей по числу параметров. Механические узлы (второй уровень иерархии) материализуют фазовое пространство, вводя некоторые ограничения на значения параметров. Электромеханические приводы (третий уровень) воспроизводят в созданном пространстве допустимые фазовые траектории. Управляющие автоматы, называемые далее задачами ЧПУ (четвертый уровень иерархии), формируют программу для каждого привода. Система ЧПУ (пятый уровень) осуществляет координацию задач на основе общего задания, содержащегося в управляющей про-366
грамме ЧПУ. На этом уровне завершается построение виртуальной машины в виде объекта, управляемого системой ЧПУ типа CNC.
Очередной (самый верхний) уровень виртуальности служит для расширения информационно-вычислительных возможностей системы ЧПУ.
Система ЧПУ создавалась как управляющая машина реального времени, сигналы которой обращены к объекту (станку). По мере возрастания роли диалоговых процедур, связанных с разработкой задания, анализом событий на объекте и в самой системе, возникает необходимость в привлечении мощных дополнительных вычислительных ресурсов для работы с файлами и в решении задач машинного масштаба времени. Наилучшим техническим средством здесь служит персональный компьютер, завершающий построение виртуальной машины. Подобная виртуальная машина располагает функциями системы управления типа PCNC (Personal Computer Numerical Control - ЧПУ на основе персонального компьютера).
Персональный компьютер поддерживает три рабочих моды, которые могут быть совмещены (при некоторых ограничениях) по времени: управляющая мода, мода наблюдения, инструментальная мода. Управляющая мода состоит в выполнении задания, сформулированного в терминах «что сделать». Отдельные уровни виртуальной машины вносят свой вклад в выполнение задания. Мода наблюдения состоит в поддержании информационной модели и осуществлении внутренней коммуникации на основе принятой системы протоколов. Каждый уровень виртуальной машины предъявляет собственные запросы на информационное обеспечение. Конечному пользователю доступна обширная информация (в том числе и графическая), выводимая в окна экрана дисплея. Инструментальная мода состоит в привлечении резидентных инструментальных средств персонального компьютера для решения самых разнообразных проблем. На верхнем уровне возможно дальнейшее развитие уже существующего в системе управления диалога. На уровне системы ЧПУ допускается редактирование связей и настройка конфигурации отдельных задач ЧПУ, реализованных в виде управляющих автоматов. На следующем, более низком уровне можно воспользоваться услугами конструкторов задач, внося в эти задачи изменения и дополнения с помощью инструментальных «языков пользователя». На уровне приводов осуществляется их программная настройка, коррекция, а также заполнение массивов констант и параметров. На уровне механических узлов выполняется «обучение» диагностической модели данного экземпляра станка. На уровне рабочего процесса производится «обучение» модели в каждой конкретной реализации такого процесса.
Взаимодействие отдельных уровней виртуальной машины осуществляется по типу автоматной сети. Под функциональным автоматом будем понимать четверку А = (OP, С, {S}, {f}), где ОР - операционный автомат; С -управляющий автомат; {S} - множество управляющих сигналов от управляющего автомата к операционному; {f} - множество осведомительных сигналов от операционного автомата к управляющему. Автоматная сеть для виртуальной машины с управлением PCNC показана на рис. 12.5. Отношения подчинения отдельных уровней виртуальности накладывают отпечаток и на структуру сети: отдельные функциональные автоматы являются операционными в составе автомата более высокого уровня иерархии.
367
Рис. 12.5. Схема автоматной сети, раскрывающей взаимодействие отдельных уровней виртуальной машины
Управляющие автоматы являются «задачами ЧПУ». Существуют шесть задач: геометрическая (С1), логическая (С2), технологическая (СЗ), диагностическая (С4), задача «диспетчер ЧПУ» (С5), терминальная (С6). В конкретной ситуации первые четыре задачи могут присутствовать все вместе или в любой комбинации.
Назначение геометрической задачи состоит в обеспечении (путем управления следящими приводами подачи) относительного перемещения детали и инструмента по некоторой траектории с конечной целью воспроизведения заданной чертежом геометрической формы детали. Назначение логической задачи состоит в управлении последовательно-параллельными циклическими действиями дискретных автоматов, поддерживающих на станке вспомогательные технологические функции (т.е. в управлении электроавтоматикой станка).
Назначение технологической задачи состоит в оптимизации рабочего процесса резания в фазовом пространстве его параметров. Назначение диагностической задачи состоит в идентификации состояний машины и обеспечении (при необходимости) перехода в безопасные состояния. Назначение задачи «диспетчер ЧПУ» состоит в синхронизации четырех указанных ранее задач, в выделении частных потоков заданий из единого задания для системы ЧПУ. Назначение терминальной задачи состоит в организации интерфейса системы ЧПУ с оператором и другими пользователями, а также с системой управления более высокого ранга для формирования пакета заданий ЧПУ, информации пользователей о состояниях инструментального развития виртуальной машины.
Простая автоматная сеть, показанная на рис. 12.5, может быть преобразована в иерархическую автоматную сеть, приведенную на рис. 12.6, где функциональные автоматы представлены прямоугольниками, операционные и управляющие автоматы изображены кружками, операционные авто-
368
Рис. 12.6. Схема иерархической автоматной сети, раскрывающей взаимодействие отдельных уровней виртуальной машины
маты, которые одновременно являются функциональными автоматами более низкого иерархического уровня, показаны в виде двойных кружков. Дуги иерархической сети имеют обозначения, представляющие собой автоматные связки (приведены в фигурных скобках). Автоматные связки указывают на объединение операционного автомата более высокого иерархического уровня с функциональным автоматом более низкого уровня.
При разработке программно-математического обеспечения системы PCNC выделяют крупные модули-процессоры, которые поддерживают решение ранее обозначенных задач ЧПУ. Помимо этого, необходима единая виртуальная шина, которая представляет процессорам набор коммуникационных услуг, не зависящих от внутреннего содержания отдельной задачи. Подобный подход [8] позволяет построить гибкую и легко конфигурируемую систему управления, структурная схема программно-математического обеспечения которой показана на рис. 12.7. Эта структура наследует композицию автоматов, указанных на рис 12.6, и имеет прежние обозначения.
Группа модулей С6 принадлежит терминальной задаче. Функции терминальной задачи можно разделить на системные и прикладные. Носителем прикладных функций является терминальный процессор, а носителями системных функций - все остальные модули терминальной задачи.
Диалоговый процессор поддерживает меню функциональных клавишей, в том числе с последующим вводом информации оператором; меню с не альтернативными предложениями; меню с альтернативными предложениями, в том числе с последующим вводом информации оператором; приглашение оператора к вводу информации. В состав процессора входят инструментальные средства диалога (библиотечные функции для создания меню, графический редактор для создания экранных масок). Таким образом, процессор обладает свойством самогенерации.
Виртуальный терминал предоставляет каждому процессору в составе системы PCNC независимый вывод своей информации на экран дисплея в разные его области, поддерживая перекрытие областей. Виртуальный терминал имеет свой инструмент, помогающий пользователю создавать специальные символы для вывода информации.
369
Рис. 12.7. Структурная схема программно-математического обеспечения системы
Виртуальная внешняя память представляет собой базу данных, СУБД которой позволяет процессорам обращаться к файлам управляющих программ, корректоров, параметров по логическому имени; поддерживает связь между файлами, организует их размещение в оперативной памяти; обеспечивает манипуляцию с файлом в памяти.
Процессор индикации поддерживает запросы к задачам, связанные с типом информации; управляет приемом информации и ее размещением на экране дисплея.
Терминальный процессор служит для формирования пакета режимных заданий, проверки и передачи его задаче С 5 («диспетчер ЧПУ»). Эта задача представлена двумя модулями: сопроцессором ЧПУ реального времени и виртуальным каналом. Сопроцессор выполняет функции синхронизации и выделения потоков заданий ведомым задачам. Виртуальный канал поддерживает протоколы и организует движение информации в коммуникационной среде системы PCNC.
Структура ведомых (диспетчером) задач С1...С4 однотипна. Ядром задачи служит ее процессор, реализующий базовую прикладную функцию (геометрическую, логическую, технологическую, диагностическую Модуль «виртуальный объект» является интерфейсом процессора задачи с управляемым объектом на станке. Монитор ведомой задачи управляет переходами между ее состояниями. Граф таких состояний показан на рис. 12.8. Каждая задача оказывает услуги на основе функциональных запросов со стороны других задач. Выполнение услуг осуществляется в рамках указанных на рисунке состояний.
Ведущая задача («диспетчер ЧПУ») пребывает в одном из двух состояний: наблюдение или управление. В состоянии наблюдения задача 370
Deselect
Load Clear
Пассивная задача
Clear л (Abort)
Загружен иная задача >
Emergency Stop
Select-
-Deselect
/вмеша\ тельст-во оперся \mopaА
Manual Control .
Ол	/Приос-\
Recovery /тановлен^
J	l пая
. у	\ задача J
Готовая , задача
( Раво-\тающая задача
Program Start^--'
- End of Execution
(Pause-Continue,
Program Stop
Рис. 12.8. Граф состояний задачи ЧПУ
«диспетчер ЧПУ» анализирует статус других задач, сообщения или наборы данных, конечно-автоматные состояния других задач. В состоянии управления задача «диспетчер ЧПУ» передает данные, параметры задания, захватывает или освобождает семафор ведомой задачи, запрашивает состояние семафора.
Ведомая пассивная задача способна принимать задание. Ведомая загруженная задача принимает атрибуты задания, выбирает задание из пакета для выполнения, заменяет или выгружает задание. Ведомая готовая задача может запустить задание или отказаться от его выполнения. Ведомая работающая задача способна остановить выполнение задания. Ведомая приостановленная задача может возобновить его выполнение. В любом состоянии ведомая задача поддерживает связь с ведущей для передачи статуса, сообщения данных, для приема данных.
Общая архитектура системы PCNC определяет способ решения задач ЧПУ. Задачи ЧПУ различны и требуют специфической организации вычислений.
Терминальная задача относится к машинному, а точнее, к квазиреаль-ному времени, поглощает большие объемы оперативной и внешней памяти, располагает мощным системным и инструментальным сопровождением, имеет доступ к стандартной периферии. В этой связи оптимальной программно-аппаратной средой для терминальной задачи может послужить персональный компьютер в промышленном исполнении.
Задача «диспетчер ЧПУ» относится к реальному времени, поскольку осуществляет диспетчеризацию других задач реального времени. Это предъявляет соответствующие требования к операционной среде задачи и именно по этой причине задачу выносят из персонального компьютера в
371
сопроцессор реального времени. Сопроцессор должен обладать большой вычислительной мощностью, поскольку помимо основной функции диспетчеризации выполняет еще и фоновую, связанную с подготовкой графического файла для динамико-графического отображения развивающегося в реальном времени рабочего процесса. Поэтому для построения сопроцессора реального времени целесообразны любые мероприятия, способствующие повышению быстродействия и надежности: применение наиболее совершенных микропроцессоров, транспьютеров, RISC-процессоров, Viper-процессоров. Для сопроцессоров реального времени существуют и готовые промышленные решения, например сопроцессоры ARTIC фирмы IBM.
Геометрическая задача связана с циклически повторяющимися с высокой частотой вычислениями, выполняемыми с большой точностью (интерполяционные расчеты, замыкание позиционных контуров следящих приводов и др.). Здесь необходим 32-разрядный микропроцессор и арифметический сопроцессор, спец-БИС для выполнения высокочастотных рутинных операций, быстрая многопроцессная операционная система реального времени. Вычислитель может быть построен по типу ISO-машины, для которой команды кода ISO-7bit являются машинными инструкциями. Здесь возможны и целесообразны все те меры повышения быстродействия и надежности, которые были рекомендованы для сопроцессора реального времени.
Логическая задача предполагает битовые и байтовые операции. Для решения задачи целесообразна аппаратура с одно- и многоразрядными микропроцессорами, с широким набором входных и выходных байтовых регистров, со специализированными контроллерами для предварительной обработки высокочастотных дискретных сигналов, с силовыми выходными цепями. Математическое обеспечение логической задачи требует специфической системной поддержки. Оптимальной программноаппаратной средой для логической задачи служит программируемый контроллер.
Выделение технологической задачи означает наблюдение за параметрами рабочего процесса, причем результаты наблюдения обрабатываются программно-аппаратным путем. При этом требуется: выделение сигналов на фоне шума, фильтрация, уплотнение и специальные преобразования сигналов (гармонический анализ, построение безразмерных амплитудных дискриминант или общих безразмерных характеристик случайных процессов, аналого-цифровые преобразования). Программно-аппаратную среду для решения технологической задачи называют монитором.
Диагностическая задача с трудом поддается формализации, поскольку глубина диагностики в различных системах сильно различается. Наиболее эффективным диагностическим инструментом является экспертная система. Можно постулировать программно-аппаратную эксперт-машину в качестве среды для решения диагностической задачи. В простейшем случае диагностическая задача распределена по остальным, разделяя с ними их вычислительные ресурсы.
Своеобразие программно-аппаратных сред для разных задач ЧПУ требует распределенного способа обработки задач. При этом, сохраняя однотипную для всех задач оболочку (shell), можно оптимизировать виртуальную структуру каждой задачи.
372
База данных
Поддержание
Интерфейс
с
заоачами
Обработка
Рис. 12.9. Оболочка задачи ЧПУ
'Интерфейс
оператором
Функции развития
задачи
Прикладная компонента задачи
Интерфейс с объектом
управления
Оболочка отдельной задачи показана на рис. 12.9. База данных содержит числовую информацию, статусы, качественные характеристики, результаты промежуточных вычислений, данные для управления и т.д. При этом соблюдаются определенные форматы данных с тем, чтобы ими было удобно пользоваться в реальном времени. Прикладная компонента задачи ЧПУ отражает ее функциональное назначение: допускается дальнейшее развитие задачи с помощью инструментальных средств. Интерфейсы задачи обеспечивают связь с оператором (через экран дисплея), с другими задачами и собственным объектом. Задача располагает необходимыми системными средствами для обработки аварийных и других специальных сообщений, а также для поддержания многопроцессного режима.
Структура задачи ЧПУ как вирту-
системных
сообщений
многопроцессно -
го режима
Интерфейс
Прикладные функции [интерфейс
Стандартные функции
Расширения ОС
Интерфейс
Языки программирования
Интерфейсу
ОС
Аппаратура
Рис. 12.10. Структура задачи ЧПУ как виртуального модуля
ального модуля представлена на рис. 12.10. При неизменном составе уровней виртуальности для каждой задачи реализация отдельных уровней существенно различается от задачи к задаче для того, чтобы оптимизировать в каждом конкретном случае ее прикладные функциональные возможности.
373
Общее архитектурное решенее системы ЧПУ типа PCNC приведено на рис. 12.11. Это решение представляет собой микролокальную сеть машин, ориентированных на отдельные задачи ЧПУ. Разделяемый канал связи выполнен, например, в стандарте Bitbus, который хорошо подходит для микролокальных сетей.
Рис. 12.11. Схема архитектурного решения системы PCNC
Наличие в системе PCNC персонального компьютера накладывает отпечаток на стиль общения оператора с системой управления. Особенность такого стиля: дружественный диалог с использованием универсальной клавиатуры, с простыми обращениями к операционной системе для доступа к программным файлам и операций с массовой памятью; всеохватывающая мнемоника и возможность привлечения функции «помощь» (help); эргономическое представление информации в окнах экрана, в том числе с перекрытием окон и их иерархическим вложением; использование цветных графических изображений и пиктограмм; применение редакторов, позволяющих разрабатывать управляющие программы ЧПУ на языке высокого уровня. Принципиально важны возможность создания единого подхода к работе с любыми системами ЧПУ и прямая возможность использования в системе ЧПУ управляющей программы, написанной для другой системы.
Персональные компьютеры своим успехом обязаны исключительно удобным операционным системам, из которых наиболее популярны MS DOS и MS Windows. Обе системы подходят для целей ЧПУ.
Недостатки кода ISO-7bit как языка управляющих программ ЧПУ известны: он нечитаем, что порождает многочисленные ошибки; слишком привязан к конкретной версии системы управления, что создает проблему несовместимости систем по управляющим программам. Известно и то, что станком можно управлять с помощью программ, построенных на основе Бейсика, Паскаля, Си с использованием стандартных процедур и подпрограмм. При этом программно доступны физические ячейки памяти и порты ввода-вывода. Ниже приведен фрагмент такой управляющей программы:
374
PROGRAM MACHINE CALL;
BEGIN
ABSOLUTE COORDINETES;
SELECT TOOL (6);
SWITCH ON LUBRICANT;
LINEAR MOVE TO (50, 60, 70) SET CURRENT POS TO REFERENCE;
WRITE TO SCREEN (“MACHINE, AT NEW REFERENCE POINT”);
•	• • •	•••	• • •	• • •
CIRCULAR MOVE TO (121, 43, 61);
•	••	• • •	• • •	• • •	• • •
WRITE TO SERIAL PORT (“FINISHED”)
SET PLC OUTPUT (26, Hl);
END.
В системе PCNC может быть использован такой подход, при котором языком программирования электроавтоматики служит язык блок-схем алгоритмов, который непосредственно компилируется для целей управления в машинные коды. Блок-схему разрабатывают в диалоговом режиме специального графического редактора. Экран дисплея поделен на ячейки, в которые пользователь помещает необходимые функциональные блоки (CONTROL, MOVE, WAIT, DECISION, COMPARE, DISPLAY, EXIT), соединяя их затем нужным образом. При этом он идентифицирует входы-выходы, флаги, счетчики, таймеры, регистры и др. Блок-схемы алгоритмов могут образовывать иерархию, отдельные части которой работают последовательно или параллельно.
Резидентная система автоматизированного программирования (САП) является необходимой и естественной компонентой системы PCNC. САП включена в мощную объемлющую оболочку, которая предоставляет графическое меню, поддерживает простую процедуру управления, гарантирует корректность словаря и синтаксиса при проектировании как самой задачи, так и технологии изготовления, обеспечивает динамикографическое моделирование управляющей программы, допускает прием САПР-чертежей в стандарте IGES (Initial Graphic Exchange Standard) для последующей разработки управляющей программы. В составе САП могут быть процедуры, использующие набор продукционных правил для выбора оптимальных траекторий. Таким образом, к решению задач САП привлекается экспертная система. Потребность в подобном подходе непрерывно возрастает на фоне заметной тенденции падения квалификации технологов.
375
12.3.	Управление гибкими производственными модулями и ячейками
В состав ГПМ входят станок, накопитель деталей с входным-выходным портом, средства перегрузки деталей (робот или специальное приемно-передающее устройства). Состав ГПЯ полнее: еще один станок, координатно-измерительная машина, локальные транспортные системы для деталей и инструментов, система замены инструментальных магазинов и т.д. Отдельные объекты ГПМ и ГПЯ располагают собственными системами управления, взаимодействующими между собой. ГПМ и ГПЯ имеют центральную систему управления, называемую терминальной станцией (на рис. 12.12 вверху), которая построена на основе персонального компьютера в промышленном исполнении (см. рис. 12.12). Терминальная станция и системы управления отдельными объектами образуют вычислительно-управляющую подсеть, входящую в развитую локальную вычислительную сеть (ЛВС) управления гибким производством.
Рис. 12.12. Общая конфигурация гибкой производственной ячейки
ГПМ и ГПЯ можно рассматривать как многоуровневую виртуальную машину пользователя (см. центральную часть рис. 12.13). На нижнем уровне расположены объекты управления (например, станок, робот, накопитель деталей). Далее вверх по иерархии находятся системы управления отдельными объектами (системы ЧПУ, программируемый контроллер). Следующий уровень составляет уже специфику ГПМ: здесь размещен диспетчер, поддерживающий взаимодействие и синхронизацию отдельных систем управления. Верхний уровень принадлежит терминальной станции в виде персонального компьютера.
376
Рис. 12.13. Модель гибкого производственного модуля в виде многоуровневой виртуальной машины пользователя
Работа виртуальной машины осуществляется в рамках трех мод: управляющей, инструментальной и наблюдения. Управляющая мода (см. левый столбец на рис. 12.13) состоит в выполнении задания, которое первоначально сформулировано в терминах «что делать», а затем детализируется по мере погружения в глубь виртуальной машины. Инструментальная мода заключается в привлечении специальных системных средств настройки и развития отдельных уровней виртуальной машины. На уровне персонального компьютера допустимо развитие технологически ориентированного диалога пользователя; на уровне диспетчера возможна конфигурация системы управления ГПМ путем включения в его состав тех или иных локальных систем; на уровне локальных систем в распоряжении пользователя находятся инструментальные системы автоматизированной подготовки управляющих программ; на уровне оборудования существуют средства настройки на новые детали, поступающие в ГПМ в свободном потоке. Мода наблюдения состоит в поддержании единой информационной модели и выводе на экран терминальной станции графических и текстовых сообщений, запращиваемых пользователем.
Рассмотрим прежде всего управляющую моду. Основные функции управления в ГПМ (в ГПЯ) выполняют локальные системы, которые ответственны за свои объекты и даже способны выполнять определенную взаимную координацию, не прибегая к услугам терминальной станции. Однако в целом ГПМ без помощи терминальной станции не может выполнять свои задачи.
377
Терминальная станция поддерживает групповой объектный интерфейс, который обеспечивает «логическое видение» локальных систем. После того как система управления ГПМ сконфигурирована (а этот процесс состоит в указании определенных параметров локальных систем), для пользователя становятся незаметными различия локальных систем. Локальные системы представлены в групповом объектном интерфейсе терминальной станции своеобразной информационной моделью, записи которой несут в себе сведения об именах систем, их статусе.
Одна из функций управления терминальной станции состоит в загрузке и выгрузке управляющих программ локальных систем. Другая важная управляющая функция терминальной станции заключается в поддержании потоков данных, обеспечивающих моду наблюдения. Продвижении потоков осуществляется в результате полинга (сканирующего опроса) или по прерыванию.
Наиболее важную роль в управляющей моде играют прямые функции управления. Далее эти функции показаны на примере простейшего ГПМ, состоящего из токарного станка, робота с одним захватом, магазина заготовок и деталей (рис. 12.14). Каждый вид оборудования оснащен своей локальной системой управления.
Рис. 12.14. Структурная схема токарного гибкого производственного модуля:
1 — магазин заготовок и деталей; 2 — робот; 3 — токарный станок
В полных управляющих программах трех локальных систем управления имеются такие фрагменты, которые могут быть исполнены независимо от других. Эти фрагменты следует трактовать как отдельные управляющие программы ЧПУ, обозначаемые соответственно СТ (для станка), РОБ (для робота), МАГ (для магазина). Приведем содержание отдельных управляющих программ.
СТО - привести станок в состояние готовности к работе; СТ1 - зажать заготовку в приспособлении станка (например, в патроне); СТ2 - обрабо-378
тать заготовку на станке; СТЗ - разжать заготовку, установленную в приспособлении станка; СТ4 - привести станок в начальное состояние.
РОБО - привести робот в состояние готовности к работе и переместить захват робота в безопасную зону XI в районе позиции передачи ХО магазина; РОБ1 - захватить заготовку, перемещаться через зону XI в безопасную зону ХЗ у станка и дальше в рабочую зону Х2 станка; РОБ2 - разжать захват, переместить захват робота в безопасную зону ХЗ у станка; РОБЗ - переместить захват робота в рабочую зону Х2, захватить зажатую в патроне деталь; РОБ4 - переместить захват через безопасные зоны ХЗ у станка и XI у магазина в позицию передачи ХО, установить деталь в позицию передачи, переместить захват в безопасную зону А7; РОБ5 - привести робот в начальное состояние.
МАГО - привести магазин в состояние готовности к работе; МАП -переместить магазин, чтобы в позиции передачи ХО была следующая заготовка; МАГ2 - переместить магазин, чтобы в позиции передачи ХО было свободное место под деталь; МАГЗ - привести магазин в начальное состояние.
На рис. 12.15 показаны последовательности и взаимосвязи отдельных управляющих программ ЧПУ, которые отрабатываются на различных локальных системах управления. Для этого применена сеть Петри, причем места-переходы сети в большинстве случаев представляют отдельные управляющие программы ЧПУ; а места-позиции - отдельные состояния соответствующих локальных систем управления, занимаемые до и после выполнения очередного перехода, т.е. управляющей программы ЧПУ. Взаимосвязи между отдельными управляющими программами ЧПУ, выполняемыми на разных локальных системах управления, обозначены дугами из разных мест-позиций в одно место-переход. Это отражает отношение ожидания между разными управляющими программами ЧПУ: сначала должны быть помечены фишками все без исключения места-позиции, от которых дуги ведут в некоторое место-переход и только потом может быть реализовано рассматриваемое место-переход, т.е. выполнена соответствующая управляющая программа ЧПУ. При этом условием для пометки фишкой всех упомянутых мест-позиций является выполнение всех мест-переходов, т.е. выполнение управляющих программ ЧПУ, от которых дуги ведут к соответствующим местам-позициям.
Сложность организации диалога управляющих программ ЧПУ обусловлена асинхронным взаимодействием процессов, развивающихся в реальном времени собственных локальных систем управления, которые аппаратно и программно несовместимы.
Для решения проблемы взаимодействия управляющих программ ЧПУ их выполнение в разных локальных системах управления следует рассматривать как множество параллельных процессов, каждый из которых представляет совокупность отдельных управляющих программ для конкретной локальной системы управления. При таком подходе проблема взаимодействия управляющих программ ЧПУ напоминает проблему алгоритмов, объединенных в понятие коллектива алгоритмов, решающих общую задачу. Следовательно, проблема диспетчирования (оперативного управления) в ГПМ может быть решена на основе методов теории управления коллективом алгоритмов. Один из вариантов решения - создание проблемно-ориентированного языка, средства которого нацелены на организацию,
379
Рис. 12.15. Сеть Петри, показывающая последовательности и взаимосвязи управляющих программ ЧПУ различных локальных систем управления в составе ГПМ
реорганизацию, наращивание кооперативных связей управляющих программ ЧПУ (написанных на любых языках) на разных локальных системах управления ГПМ. Такой язык называется языком программирования ГПМ. Его использование принадлежит уже инструментальной моде системы управления.
При оценке содержательной стороны инструментальной моды ограничимся функциями программирования (для формирования задания ГПМ, ГПЯ) и функциями конфигурации, которые называют также функциями открытой системы).
Программирование ГПМ (ГПЯ) осуществляют в диалоге, построенном по сценарию, соответствующему представлениям оператора. На уровне системы управления возможны разработка или расширение такого сценария.
380
Язык программирования терминальной станции отвечает уровню знаний оператора. Оператор ГПМ (ГПЯ) должен уметь самостоятельно разрабатывать простые управляющие программы и понимать управляющие программы любого уровня сложности (речь здесь идет именно об управляющих программах модуля и ячейки, а не об управляющих программах ЧПУ или программах контроллера). Язык программирования использует графические возможности терминальной станции для отображения общей стратегии управления, для выбора альтернатив. По двум причинам более целесообразен язык интерпретирующего типа, цикл написания - отладки программы короток, процесс программирования интерактивен.
Применяют и двухуровневый язык программирования, причем графический верхний уровень описывает фундаментальные последовательности управлений, а вложенные последовательности нижнего уровня задаются булевыми выражениями. В США существует стандарт на графический язык верхнего уровня: IEC Sequential Function Chart Standard.
Функции «открытой системы» для терминальной станции состоят в свободном наращивании вычислительной мощности в рамках распределенной системы с перераспределением управляющих задач реального времени. Частным случаем осуществления таких функций является начальная конфигурация системы управления. В процессе же ее эволюции допускаются расширения как по аппаратуре, так и по математическому обеспечению, при этом базовые аппаратно-программные решения сохраняются.
Для реализации функций «открытой системы» можно использовать архитектурную концепцию cXsvm (single virtual machine) фирмы Motorola (США), которая предлагает единую программируемую модель для одно- и мультикомпьютерной системы. В архитектуре cXsvm можно наращивать ресурсы путем включения дополнительных процессорных модулей, и это не затрагивает существующие аппаратные и программно-математические компоненты.
Назначение моды наблюдения состоит в отслеживании рабочего процесса в ГПМ (ГПЯ) с тем, чтобы судить о его нормальном протекании и быть уверенным в общей работоспособности оборудования. Внешним отражением моды наблюдения служит интерфейс пользователя (в частности, оператора). Интерфейс оператора должен быть построен на основе многооконной графической системы. Оператору удобно судить о событиях реального времени и статусах по динамическим графическим изображениям, а аварийные оповещения получать в текстовой форме. Многооконная система должна быть гибкой, а окна открываться и закрываться по указанию оператора.
Графическое изображение статуса ГПМ (ГПЯ) опирается на изменяемые цифровые, символические, пиктографические и другие графические элементы. Все возможные изображения постоянно готовы к немедленному выводу на экран. Привлечение внимания оператора всеми доступными средствами (цвет, мерцание и др.) составляет главную цель моды наблюдения. Изображение доступно просмотру с разной степенью детализации, возможно масштабное увеличение той или иной зоны. При всех перемещениях изображений зона аварийных оповещений остается свободной. При наличии в системе управления ГПМ (ГПЯ) нескольких мониторов персоналу должны быть доступны одинаковые копии на разных экранах.
381
В системах управления развитых ГПЯ применяют экспертные системы, причем здесь возможны два подхода. Согласно первому, экспертная система размещена в терминальной станции, которая поддерживает отношения с локальными системами по принципу «ведущий - ведомый» (master - slave). Терминальная станция принимает все логические решения, касающиеся ячейки. Второй подход состоит в децентрализации функций управления и размещении экспертных систем в локальных устройствах управления. Терминальная станция остается, однако ее функции ограничиваются сбором внутренней информации и информационным взаимодействием с внешним миром. Поскольку интеллект обычной локальной системы ЧПУ недостаточен, для постановки локальной экспертной системы каждый компонент ячейки дооснащают персональным компьютером. Персональный компьютер принимает логические решения в отношении своей системы ЧПУ.
В соответствии с первым подходом интеллектуальная система управления ГПЯ содержит три управляющих модуля, размещенных в терминальной станции: конечно-автоматную систему (КС), систему самообучения (СС), экспертную систему (ЭС). В процессе работы ячейки эти модули привлекаются с различной частотой, уменьшающейся в соответствии с порядком их перечисления.
Нормальная работа связана с использованием КС, когда нет непредвиденных событий. КС получает инструкции сверху - со стороны системы управления более высокого ранга и сообщает свой статус наверх, выдает команды локальным системам и получает от них их статус. Каждому состоянию КС соответствует правило поведения, занесенное в таблицу. Если правил много, КС становится иерархией конечных автоматов.
Система самообучения содержит правила, которые сформированы оператором в непредвиденных ситуациях как средства выхода из этих ситуаций. Система располагает механизмом отбора ситуаций, правила выхода из которых сохраняются 'в памяти. Механизм предохраняет тем самым СС от неоправданного роста.
ЭС подключается в непредвиденной ситуации, для которой нет правил в СС. Особенности ЭС в использовании знаний самых разных экспертов. Суть же работы состоит в диагностике и выдаче соответствующих рецептов.
Организация управления в ГПЯ с использованием экспертных систем соответственно второму подходу показана на рис 12.16. Оборудование ячейки включает входной порт, токарный станок с ЧПУ, промежуточный накопитель с ЧПУ, токарный центр с ЧПУ, выходной порт. Эти средства размещены вокруг робота с ЧПУ. Каждый станок располагает датчиками для измерения детали и датчиками контроля за изнашиванием инструмента. Персональные компьютеры взаимодействуют через локальную МАР-сеть. Алгоритм управления в ячейке использует событийный принцип. Принцип гласит: ни одна рабочая станция ячейки не станет принимать деталь, пока сама не потребует ее от предыдущей рабочей станции.
Алгоритм управления в ГПЯ выглядит следующим образом.
1.	Пусть Л-й персональный компьютер, обслуживающий свой объект, получает жезл (в рамках циркуляции информационного потока) и устанавливает отсутствие детали на объекте. Прежде всего он сообщает свой статус компьютеру т терминальной станции. Если к = 1 (первый объект), то 382
т=5
Твм Тс^аК6
МАР^сеть А7-/ ]	~к2^2 I
AJ=J
Рис. 12.16. Структурная схема ГПЯ, система управления которой построена на базе экспертной системы:
/ - направление материального потока; // - направление информационного потока; 1 - промежуточный накопитель; 2 - токарный центр; 3 - выходной порт; 4 - порт брака;
5 - входной порт; 6 - терминальная станция
компьютер объекта ожидает, пока терминальная станция установит наличие детали во входном порту. Если деталь там имеется, Л-й компьютер запрашивает т-и компьютер (обслуживающий робот) о переносе этой детали к своему объекту. Если во входном порту детали нет, к-й компьютер запрашивает деталь у компьютера т терминальной станции, который в свою очередь может получать аналогичные запросы на детали со стороны сборочного участка. В данном же случае компьютер т обращается за деталью к складу заготовок, который на рисунке не показан. Если к Ф 1, то £-й компьютер проверяет статус работы (в том числе код детали) на (к - 1 )-м компьютере и передает жезл следующему в логическом кольце компьютеру.
2.	Если статус £-го компьютера в момент получения из жезла показывает, что на данном объекте идет обработка детали или деталь находится в состоянии ожидания (в промежуточном накопителе), то этот статус передается терминальной станции. Если объектом является промежуточный накопитель, то в терминальную станцию в рамках статуса поступает информация о наличии детали в накопителе. Если объектом является станок, то в терминальную станцию в рамках статуса поступает комплексная информация, включающая сведения о силе резания, скорости подачи. Если статус £-го компьютера показывает, что его собственная экспертная система дала указание своему объекту остановиться (поскольку не находит другого решения из опыта, предшествующего моменту получения жезла), то этот к-й компьютер через посредство терминальной станции обращается за помощью к оператору. Затем А>й компьютер передает жезл следующему в логическом кольце компьютеру.
383
3.	Если статус к-го компьютера к моменту получения им жезла показывает, что деталь существует (находится в промежуточном накопителе или на станке, но не обрабатывается, и все измерения и верификация завершены), то делается следующий шаг.
Если указанный процесс «существования» находится в «развитии», то повторяется п.2 укрупненного описания алгоритма. Дадим здесь пояснение к «развитию»: компьютер непрерывно взаимодействует с подчиненной ему локальной системой (независимо от наличия жезла), и если его экспертная система установила, к примеру, предельный износ, то инициируются смена инструмента или его коррекция.
Если существующая деталь дефектна, к-й компьютер запрашивает т-й компьютер (обслуживающий робот) сделать роботу указание переместить деталь в порт брака. Далее к-й компьютер запрашивает деталь у (к - 1)-го компьютера, но с условием, что это перемещение детали состоится после удаления наличествующей детали на объекте, обслуживаемом к-м компьютером. Затем к-й компьютер передает жезл следующему в логическом кольце компьютеру.
Если существующая деталь годна, к-й компьютер запрашивает т -й компьютер (обслуживающий робот) сделать роботу указание переместить деталь к объекту, обслуживаемому (к + 1)-м компьютером, при условии, что (к + 1) - не больший, чем у последнего компьютера номер. Если же (к + 1) есть номер больший, чем у последнего компьютера, то роботу будет сделано указание о перемещении готовой детали в выходной порт.
4.	Если m'-й компьютер (обслуживающий робот) получает жезл, выполняется одно из следующих действий. Если текущее задание роботу состоит в передаче детали из объекта с к-м компьютером к другому объекту, это задание выполняется. Если текущее задание роботу состоит в передаче детали из входного порта к первому объекту (к - 1), то это задание выполняется. Если текущее задание роботу состоит в передаче детали от последнего объекта (к - 3) выходной порт, это задание выполняется.
5.	После того, как любой объект, кроме промежуточного накопителя, получает деталь, инициируется рабочий процесс. Если деталь получает промежуточный накопитель, то эта деталь ожидает возможности передачи следующему объекту. В процессе обработки локальная экспертная система Л-го компьютера наблюдает за своим объектом. Например, в случае поломки или предельного изнашивания инструмента экспертная система дает указание заменить инструмент. Если размеры детали выходят из допуска, экспертная система дает указания уточнить таблицы коррекций инструмента. Если же экспертная система не находит решения в текущей ситуации, она дает указание остановить рабочий процесс.
Рассмотрим способ реализации алгоритма.
Персональный компьютер станка является его локальным интеллектуальным контроллером, который имеет пять программно-математических компонентов: базу данных, базу знаний, сетевой интерфейс, интерфейс с локальной системой управления и супервизор.
База данных состоит из записей, в которых хранится информация о физических параметрах деталей (размеры, форма, масса и др.), о производственных заданиях, о конфигурации ячейки. База знаний содержит информацию об общей стратегии управления (как это было описано выше), о роли данного станка в ячейке, о производственных ограничениях станка. Се
384
тевой интерфейс обрабатывает входные и выходные сообщения. Интерфейс с локальной системой управления объединяет компьютер и локальную систему и служит для приема-передачи команд, статусов, аварийных сообщений. Супервизор координирует работу всех компонентов.
Для супервизора база данных, сетевой интерфейс и интерфейс локальной системой управления выглядят как черные ящики. Супервизор запрашивает у этих модулей ту или иную услугу, используя соответствующий функциональный вызов. В ответ на вызов модуль приступает к самостоятельным действиям. Работа самого супервизора подчинена алгоритму, сохраняемому в базе знаний. Всякий раз при получении статуса станка через интерфейс с локальной системой управления супервизор обращается к базе данных для формирования линии своего поведения.
Для реализации описанного выше алгоритма в базе знаний хранятся IF-THEN-продукции. Форма продукции такова:
IF< условие 1 > < условие 2 > ... < условие N > THEN
< действие 1 > < действие 2 > ... < действие М >
При выполнении всех предусловий продукционного правила выполняются соответствующие действия. Для обнаружения правила, в котором все предусловия удовлетворены, супервизору может понадобиться обратиться к базе данных и интерфейсу с локальной системой управления. Инициируемые продукционным правилом действия могут представлять собой команды и запросы к интерфейсу с локальной системой управления, сообщения к другим локальным системам.
Управляющие функции, отображенные продукциями, относятся к трем разделам: управление локальным объектом, сетевая коммуникация, управление жезловой дисциплиной.
Правила, относящиеся к разделу «управление локальным объектом», выполняют две миссии: обработка статусов станков, инициирование команд и программ. Большая часть таких правил постоянно активна, поскольку интеллектуальный контроллер непрерывно управляет локальной системой. Если контроллер обнаруживает функциональное отклонение или недопустимый статус, формируется рецепт поведения (например, настройка инструмента). Подобные задачи независимо и параллельно решаются в каждой локальной системе. В рамках второй миссии с приходом новой детали под управлением правил осуществляется обращение к базе данных за соответствующей управляющей программой ЧПУ. Затем инициируется рабочий процесс.
Правила, относящиеся к разделу «сетевая коммуникация», работают следующим образом. Приняты три варианта сетевой коммуникации: запрос на деталь или на информацию; сообщение о передаче детали или информации; передача статуса. Первому варианту соответствуют правила: когда, куда и за какой деталью или информацией следует обращаться в сеть. Правила передачи детали или информации (второй вариант коммуникации) уточняют реакцию на сетевое обращение за деталью или информацией. Когда интеллектуальный контроллер не нуждается ни в запросах, ни в ответах, работают правила передачи статуса, которые собирают статус для его пересылки терминальной станции.
Правила, относящиеся к разделу «управление жезловой дисциплиной», связаны с процедурой передачи жезла в MAP-сети. В такой сети жезл
385
дает право «говорить». При получении жезла локальный компьютер ячейки прерывает свою работу по текущему управлению своим объектом и устанавливает, что надо передать в сеть или что получить из сети. Типичным поведением будет то, которое описано в разделе «сетевая коммуникация». После завершения сеанса передачи жезл передается компьютеру очередного объекта.
12.4.	Управление гибкой производственной системой
Спектр задач, решаемых системой управления ГПС, варьируется от узкого круга задач диспетчирования и снабжения управляющими программами до широкого круга задач, в числе которых планирование, технологическая подготовка производства, диспетчирование, прямое управление отдельными агрегатами и устройствами, диагностика, учет и документирование и т.д.
Типовым набором функций являются следующие: автоматизированное планирование и обеспечение документооборота внутри участка и со смежными службами; управление комплектацией складов заготовками и приспособлениями, а также автоматической доставкой со складов к каждому станку и обратно; непосредственное управление станками с ЧПУ и гибкими модулями; автоматизированная подготовка, контроль и коррекция управляющих программ; организация записи, хранения и выдачи управляющих программ; учет хода выполнения сменного задания, выдача диспетчерских указаний отдельным единицам оборудования по выполнению сменного задания; учет состояния оборудования и управление процессами профилактики и обслуживания; автоматическая коррекция сменного задания в непредвиденных ситуациях; автоматизированный контроль изделий и обработка результатов измерений; выдача периодических сообщений в ответ на запросы по требованию о ходе производства, состоянии складов и пр.
Функции планирования могут быть детализованы: календарное планирование (составление календарных планов, учет материально-производственных фондов); оперативное планирование или составление расписаний (планирование наиболее эффективной загрузки рабочих мест, запуска оптимальных партий, планово-предупредительного ремонта); динамическое планирование (в реальном масштабе времени), т.е. оперативное управление.
В состав комплекса средств системы управления включают подсистему диагностики, которая предназначена для решения следующих проблем: контроль готовности станков и другого оборудования к работе; контроль за исправностью станков и другого оборудования; контроль результатов обработки; оперативный поиск неисправностей при отказах; прогнозирование ресурса работоспособности и предупреждение отказов путем замены ненадежных элементов; поиск и ликвидация отказов и сбоев.
Набор указанных функций группируют в подсистемы, поддерживаемые соответствующими модулями программно-математического обеспечения. Одна часть таких модулей не зависит от конкретной реализации гибкой производственной системы, другая часть поддается настройке под конкретную реализацию, третья же - нуждается в разработке заново при проектировании системы.
386
Выделение подсистем показано на рис. 12.17. Функциональное про-граммно-математическое обеспечение представляет собой комплексный фрагмент, в составе которого задачи реального времени (поддержание информационной модели, оперативное управление) и задачи машинного масштаба времени (планирование). Организационное программно-математическое обеспечение предназначено для управления заказами на внешние ресурсы, которые должны своевременно поступать в ГПС в обеспечение выполняемых работ (подготовка производства) для ведения отчетности (учет), для слежения за соблюдением правил эксплуатации (контроль). Далее рассмотрено только функциональное программно-математическое обеспечение управления в ГПС.
Рис. 12.17. Подсистемы в составе прикладного программно-математического обеспечения управления в гибкой производственной системе
Связь задач подсистемы функционального обеспечения показана на рис. 12.18. Календарное (объемное) планирование осуществляют на год, квартал, месяц, неделю. Цель его состоит в том, чтобы обеспечить контроль за полным обеспечением ресурсами (на уровне склада и накопителей ГПС) всех подготовленных к запуску в производство технологических процессов. Оперативное планирование называют иначе составлением расписания.
Расписание является краткосрочным прогнозом, достоверность которого разрушается под действием возмущений из-за отказов оборудования, необеспеченности ресурсами, внеплановых запусков срочных заданий в производство (т.н. «уплотнения ресурсов»). В этой связи необходим механизм управления в реальном времени, и таким механизмом служит система оперативного управления.
387
Назначение системы оперативного управления состоит в эффективном использовании ресурсов ГПС для изготовления деталей, запуск которых в производство и приоритет определены расписанием (т.е. оперативным планом). Назначение оперативного управления напоминает функции операционной системы реального времени при управлении вычислительным процессом.
Общая схема работы системы оперативного управления такова. Объектами управления в ГПС выступают технологические задания, представленные маршрутами операций. Операциями являются технологические, транспортные и другие процессы, связанные с захватом ресурсов ГПС. Полное множество активных операций находится в поле зрения диспетчера реального времени, который руководит их продвижением. В основе продвижения находятся запросы операций на ресурсы и удовлетворение этих запросов. Состояние ресурсов динамически отображается в информационной модели ГПС, построенной по типу базы данных.
Информационная модель содержит два раздела: описание материальных ресурсов ГПС и описание технологических процессов как объектов управления. Для описания отдельного ресурса и отдельного процесса можно использовать стандартный (по назначению) набор атрибутов.
На рис. 12.18 показано, что отдельные подсистемы функционального обеспечения связаны между собой единым потоком управления, цель ко
Поток возмущений | Поток управлений Поток заданий
I»	I
Техпроцессы, пред -ставленные станко-емкостью обрадотки\
Техпроцессы, представленные альтернативными мар -трутами
Техпроцессы, представленные структурами операцийи их обеспечением
Рис. 12.18. Связь задач подсистемы функционального обеспечения в составе программноматематического обеспечения управления гибкой производственной системой
Техпроцессы, представленные станко-
емкостмо операций
388
торого состоит в оптимальном использовании ресурсов ГПС во времени. Дополнительно на вход каждой подсистемы поступает компонент общего потока заданий, цель которого состоит в установлении плана пространственного (т.е. распределенного по оборудованию) использования ресурсов. Кроме того, существует поток возмущений, влияние которого заставляет подсистему нижнего уровня вносить коррективы в результаты работы подсистемы более высокого уровня по каналам обратной связи.
Принципиально важным является двухуровневое построение системы оперативного управления, включающее управление модулями и внутримо-дульное управление. Подобная организация позволяет на верхнем уровне оперативного управления отвлечься от физических особенностей конкретного оборудования, что делает систему управления на этом уровне инвариантной к составу оборудования.
Рассмотрим информационную модель ГПС, которая необходима для организации оперативного управления. Подобная необходимость вытекает из того, что система оперативного управления рассматривает запросы технологических процессов на ресурсы и, следуя некоторой дисциплине удовлетворения этих запросов, формирует директивы, изменяющие состояния ресурсов. При этом существует и непрерывно обновляется динамический образ процессов и ресурсов.
Для поддержания информационных моделей ГПС и ГПМ разрабатывают специализированные системы управления базой данных (СУБД) с учетом требований, предъявляемых задачами оперативного управления технологическими процессами в реальном времени, а также задачами планирования и ввода-вывода информации.
СУБД для ГПС должна иметь проблемно-ориентированный внешний язык описания данных для формирования информационных моделей ГПС и ГПМ. Далее рассмотрим один из вариантов такого языка - язык МЕТОД, который позволяет описывать любые типы производственного оборудования и технологических процессов.
Информационная модель ГПС или ГПМ представлена на языке МЕТОД двумя разделами: материальных ресурсов ГПС и технологических процессов. В каждом разделе описание выполняется в терминах объектов, а также и атрибутов, относящихся к объектам. Базовым понятием первого раздела является информационный объект и субобъект-ресурс. Базовым понятием второго раздела является информационный объект-процесс.
В каждом разделе описание состоит из следующих этапов: описание типов объектов, описание имен объектов, задание размеров базы данных, описание типов субобъектов, описание типов атрибутных записей, привязанных к каждому типу объектов.
Рассмотрим структуру разделов, начиная с описания объектов-ресурсов. Классификационная схема объектов-ресурсов показана на рис. 12.19.
Объекты-ресурсы могут быть активными, т.е. располагающими одной или несколькими собственными системами управления с сетевым доступом. Такие объекты-ресурсы называют модулями. Модули приспособлены к выполнению одной из следующих главных (не обязательно единственных) операций: основной технологической, хранения, транспортной, ввода-вывода. Примеры модулей: модуль обработки, модуль контроля, модуль хранения палет, модуль хранения инструментов, модуль транспортирования, модуль ввода-вывода.
389
Рис. 12.19. Классификационная схема объектов-ресурсов информационной модели гибкой производственной системы
Для определения состава технологического оборудования модулей необходимо представление о субобъектах-ресурсах (субмодулях), которые выделяются по принципу единственной (не обязательно главной) операции, выполняемой на модуле из того же списка операций. Примерами субмодулей являются: порт (для связи транспортной системы модуля с транспортной системой ГПС), накопитель палет, буферное устройство или робот (как устройство, выполняющее в модуле функции внутреннего транспортирования), инструментальный магазин станка, инструментальный магазин модуля, инструментальный робот (для перегрузки инструмента между инструментальными магазинами станка и модуля), накопитель инструментальных магазинов (при сменных магазинах), станок, моечная станция, контролирующая станция, стружконакопитель.
Объекты-ресурсы могут быть пассивными, т.е. не имеющими своих собственных или разделяемых систем управления. Примеры предметов: 390
палета, приспособление, режущий инструмент, мерительный инструмент, инструментальная кассета, инструментальный магазин. В разделе объектов-ресурсов описанию подлежат предметы, которые постоянно принадлежат ГПС вне зависимости от поступающих конкретных технологических заданий. Режущий инструмент является ресурсом лишь в том случае, если он находится в ГПС в качестве резерва для замены инструментов-процессов, применяемых при обработке деталей. Приспособления являются ресурсами лишь в том случае, если они находятся на складе ГПС и готовы к сборке комплектов для базирования деталей на палетах. При вовлечении режущего инструмента и приспособлений в производство (замена сломанного инструмента и сборка комплектов приспособлений) эти предметы переходят в группу объектов-процессов.
С модулем и предметом сопоставлен набор типов атрибутных записей из числа следующих: статус, полный статус, структура хранения, координата, планируемая координата, паспорт, паспорт неисправностей. Атрибутные записи сформированы, исходя из следующих соображений: все данные, составляющие запись, должны быть функционально однородными и получены одновременно с одной скоростью доступа за одну транзакцию.
Статус является комплексным описанием динамически изменяющихся состояний. Статус содержит информацию, требующую наиболее быстрого доступа. Полный статус определяется для модулей и включает в себя все статусы субмодулей.
Структура хранения описывает свойства объекта-ресурса, связанные с хранением предметов, и представляет собой вектор имен хранимых предметов. Размерность вектора соответствует числу позиций хранения. Для модулей структура хранения объединяет несколько векторов, каждый из которых описывает свойство хранения отдельного субмодуля.
Координата и планируемая координата определяются для перемещаемых в пространстве объектов-ресурсов, причем планируемая координата относится к месту назначения объекта-ресурса.
Паспорт содержит перечень внешних (заводских) определений, технических характеристик объекта и статистической информации. Первое поле паспорта является ключевым для поиска по внешнему имени (например, для инструмента таким внешним именем является заводской код). Таким образом, паспорт выполняет также функцию связи внутренних имен, с которыми оперирует система управления, и внешних имен, соответствующих заводскому кодированию.
Паспорт неисправностей служит для накопления информации о неисправностях активных объектов-ресурсов.
Для описания одинаковых типов атрибутных записей, сопоставленных различным объектам-ресурсам, существует понятие о базовых типах атрибутных записей, удобных для сокращения и унификации описания. Базовая атрибутная запись может составлять часть полного атрибута.
Классификационная схема объектов-процессов показана на рис. 12.20.
Объекты-процессы делятся на две группы: задания и обеспечение. К заданиям относится группа объектов-процессов, описывающих в совокупности объект управления в ГПС: партия, сменно-суточное задание (на каждый модуль обработки и модули ввода-вывода), комплект маршрутов, маршрут, деталеоперация. К обеспечению относится группа объектов-процессов, описывающих информационное и материально-техническое
391
Объекты-процессы
Рис. 12.20. Классификационная схема объектов-процессов информационной модели гибкой производственной системы
обеспечение каждого шага (операции) технологического процесса: программа ЧПУ, комплект режущего инструмента, комплект мерительного инструмента, комплект приспособлений, деталь, режущий инструмент, мерительный инструмент, приспособление. Под шагом (операцией) технологического процесса здесь условно понимаем полную совокупность действий, выполняемых под эгидой одного модуля (любого). Взаимосвязь (в терминах имен) объектов-процессов представлена на рис. 12.21.
С каждым объектом-процессом сопоставлен определенный набор типов атрибутных записей из числа следующих: статус, координата, планируемая координата, структура, паспорт. Смысл каждого из этих атрибутов остается прежним, однако содержание атрибутов объектов-процессов специфично.
Последовательность начальной генерации информационной модели рассмотрим на примере несложной ГПС (рис. 12.22). В составе ГПС три модуля обработки 7, модуль транспортирования 2, модуль хранения 3, модуль ввода-вывода деталей 4. Модули имеют сложную структуру, и в их составе могут быть выделены субмодули. Субмодули обозначены двухразрядными числами, в которых разряды разделены точкой. Первый разряд указывает на тип модуля, а второй - на тип субмодуля.
Идентифицируем типы объектов и типы атрибутных записей, при этом воспользуемся следующей системой обозначения (представленный ниже словарь идентификаторов типов объектов является рекомендуемым и открытым):
392
Рис. 12.21. Взаимосвязь объектов-процессов в терминах имен
Рис. 12.22. Структурная схема гибкой производственной системы, выбранной в качестве примера для построения информационной модели
393
Модули:	М. ОБРАБОТКИ; М. ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ;
М. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ; М. ХРАНЕНИЯ.
Предметы: П. ПАЛЕТА; П. ИНСТР. МАГАЗИН; П. ЯЩИК. ДЕТАЛЕЙ; П. ЯЩИК ПРИСП.; П. РЕЖ. ИНСТР.; П. МЕР. ИНСТР.; П. ПРИСП.
Субмодули: СМ. ИНСТР. МАГАЗИН МОДУЛЯ; СМ. НАКОП. ИНСТР. МАГАЗИНОВ; СМ. СТАНОК; СМ. НАКОП. ПАЛЕТ; СМ. СТРУЖКО-НАКОПИТЕЛЬ; СМ. РОБОТ-ШТАБЕЛЕР; СМ. ПОРТ; СМ. СТОЛ КОМПЛЕКТАЦИИ; СМ. МАГАЗИН МЕРИТ. ИНСТР.; СМ. НАКОП. ЯЩИКОВ ДЕТАЛЕЙ; СМ. НАКОП. ЯЩИКОВ ПРИСП.; СМ. СТЕЛЛАЖ.
Задания: ПАРТИЯ; ЗАДАНИЕ. М. ОБРАБОТКИ; ЗАДАНИЕ. М. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ; МАРШРУТ; КОМПЛ. МАРШРУТОВ; ОПЕРАЦИЯ.
Обеспечение: ПРОГР.; КОМПЛ. РЕЖ. ИНСТР.; КОМПЛ. МЕР. ИНСТР.; КОМПЛ. ПРИСП.; ДЕТАЛЬ; РЕЖ. ИНСТР.; МЕР. ИНСТР.; ПРИСП.
Атрибуты: СТАТУС; ПОЛИ. СТАТУС; ПАСПОРТ; ПАСПОРТ. НЕИСПР.; КООРДИНАТА; ПЛАН. КООРДИНАТА; СТРУКТ.
Базовые типы атрибутных записей: Б. СТАТУС; Б. СТАТУС МОДУЛЯ; Б. СТАТУС ПРЕДМЕТА; Б. СТАТУС ПРОЦЕССА; Б. ПАСПОРТ МОДУЛЯ; Б. ПАСПОРТ ПРОЦЕССА; Б. ПАСПОРТ НЕИСПР. МОДУЛЯ.
Перейдем к описанию информационной модели ГПС, рассматриваемой в качестве примера.
1.	Определение типов Т объектов ресурсов и процессов:
Т. РЕСУРСОВ =	(М. ОБРАБОТКИ, М. ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ,
М. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ, М. ХРАНЕНИЯ, П. ПАЛЕТА, П. ИНСТР. МАГАЗИН, П. ЯЩИК ДЕТАЛЕЙ, П. ЯЩИК. ПРИСП. П. РЕЖ. ИНСТР., П. МЕР. ИНСТР);
Т. ПРОЦЕССОВ = (ПАРТИЯ, ЗАДАНИЕ, М. ОБРАБОТКИ, ЗАДАНИЕ, М. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ, МАРШРУТ, КОМПЛ. МАРШРУТОВ, ОПЕРАЦИЯ, ПРОГР., КОМПЛ. РЕЖ. ИНСТР., КОМПЛ. ПРИСП., ДЕТАЛЬ, РЕЖ. ИНСТР., ПРИСП).
2.	Определение имен объектов каждого типа.
2.1.	Определение общего числа (МТ) объектов-ресурсов (модулей и предметов), принадлежащих ГПС.
Для инструментов и приспособлений устанавливают максимальное число, которое может находиться в ГПС вне комплектов инструментов и приспособлений. Далее комментарий выделен звездочками.
МТ1 = 3 (*число модулей обработки*); МТ2 - 1 (*число модулей транспортирования *); МТЗ = 1 (*число модулей ввода-вывода деталей*); МТ4 = 1 (*число модулей хранения*); МТ5 = 24 (*число палет в ГПС *);
394
МТ6 = 6 (*число инструментальных магазинов в ГПС*); МТ7 = 4 (*число ящиков для деталей в ГПС*); МТ8 = 4 (*число ящиков для приспособлений в ГПС*); МТ9 = 100 (*число режущего инструмента-ресурса в ГПС*); МТ 10 = 100 (*число мерительного инструмента в ГПС*).
2.2.	Определение ограничений Т для технологического процесса посредством установления констант объектов-процессов: Т1 = 5 (*максимальное число одновременно обрабатываемых партий*); Т2 = МТ1Т1 (*максимальное число заданий модулям обработки: произведение числа модулей обработки МТ1 на максимальное число обрабатываемых партий Т1*); ТЗ = МТЗТ1 (*максимальное число заданий модулям ввода-вывода: произведение числа модулей ввода-вывода МТЗ на максимальное число обрабатываемых партий Tl*); Т4 = Т1 (*максимальное число комплектов маршрутов обработки деталей: равно числу одновременно обрабатываемых партий *); Т5 = 1 (*максимальное число альтернативных маршрутов обработки деталей в комплекте*); Тб = 10 (*максимальное число деталео-пераций в одном маршруте*); Т7 = 2 (*максимальное число программ ЧПУ для одного маршрута обработки деталей, принадлежащих одной партии*); Т8 = 2 (*максимальное число комплектов режущего инструмента для обработки по одному маршруту деталей, принадлежащих одной партии*); T9 = 2 (*максимальное число комплектов приспособлений для обработки по одному маршруту деталей, принадлежащих одной партии*); Т10 = 50 (*максимальный размер партии*); ТП =30 (*максимальное число режущего инструмента в комплекте*); Т12 = 50 (*максимальное число приспособлений в комплекте*).
2.3.	Определение отрезков значений имен (ИМЯ) объектов-ресурсов для каждого их типа через введенные выше константы.
ИМЯ. М. ОБРАБОТКИ
ИМЯ. М. ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ
ИМЯ. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ	= [1 ..МТЗ]
ИМЯ. М. ХРАНЕНИЯ	= [1..МТ1]
ИМЯ. П. ПАЛЕТА	= [1 ..МТ2]
ИМЯ. П. ИНСТР.МАГАЗИН	= [1..МТ6]
ИМЯ. П. ЯЩИК ДЕТАЛЕЙ	= [ 1 ..МТ7]
ИМЯ. П. ЯЩИК ПРИСПОСОБЛЕНИЙ	= [1 ..МТ8]
ИМЯ. П. РЕЖ. ИНСТР.	= [1 ..МТ9]
ИМЯ. П. МЕР. ИНСТР.	= [1..МТ10].
2.4.	Определение отрезков значений имен объектов-процессов для каждого их типа через вводимые константы.
Имена объектов-процессов формируются согласно следующим правилам:
имя партии, комплекта маршрутов, задания модулям обработки и ввода-вывода представляют собой двухразрядное число;
имя маршрута представляет собой трехразрядное число, первые два разряда которого определяют имя комплекта маршрутов, а третье - внутреннее имя маршрута в комплекте;
395
имя деталеоперации представляет собой пятиразрядное число, первые два разряда которого определяют имя партии, третий разряд - внутреннее имя маршрута в комплекте, четвертый и пятый разряды - внутреннее имя деталеоперации в маршруте;
имена объектов группы обеспечения представляют собой пятиразрядные числа, причем первые два разряда определяют имя партии, третий разряд - внутреннее имя маршрута, четвертый и пятый разряды - внутреннее имя объекта в маршруте;
имя детали представляет собой пятиразрядное число, причем первые два разряда определяют имя партии, третий, четвертый и пятый разряды устанавливают внутреннее имя детали в партии.
3.	Определение числа объектов каждого типа, хранимое в базе данных.
3.1.	Определение числа объектов-ресурсов.
Число (КР) объектов-ресурсов определяется через введенные константы:
KPI = МТ1; КР2 = МТ2; КРЗ = МТЗ; КР4 = МТ4; КР5 = МТ5; КР6 = МТ6; КР7 = МТ7; КР8 = МТ8.
3.2.	Определение количества объектов-процессов.
Количество (КП) объектов-процессов определяется через назначенные ранее константы.
КП1 =Т1 (*максимальное число партий*); КП2 = Т2 ^максимальное число заданий модулям обработки*); КПЗ = ТЗ (*максимальное число заданий модулям ввода-вывода*); КП5 = КП4 Т5 (*максимальное число маршрутов*); КП7 = КП5 Т7 (*максимальное число программ ЧПУ*); КП8 = КП5 Т8 (*максимальное число комплектов режущего инструмента*); КП9 = КП5 Т9 (*максимальное число комплектов режущего инструмента*); КП10 = КП1Т10 (*максимальное число деталей*); КП 11 =КП8 Т11 (*максимальное число режущего инструмента в комплектах*); КП 12 = КП9 Т12 (*максимальное число приспособлений в комплектах*).
4.	Определение состава (СОСТАВ) технологического оборудования модулей.
СОСТАВ. М. ОБРАБОТКИ = (СМ. ПОРТ, СМ. НАКОПИТЕЛЬ ПАЛЕТ, СМ. СТАНОК, СМ. ИНСТР. МАГАЗИН МОДУЛЯ, СМ. НАКОПИТЕЛЬ ИНСТР. МАГАЗИНОВ, СМ. ИНСТР. МАГАЗИН СТАНКА, СМ. СТРУЖКО-НАКОПИТЕЛЬ);
СОСТАВ. М. ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ = (СМ. РОБОТ-ШТАБЕЛЕР);
СОСТАВ. М. ВВ/ВЫВ. ДЕТАЛЕЙ = (СМ. ПОРТ, СМ. СТОЛ. КОМПЛЕКТАЦИИ, СМ. МАГАЗИН МЕРИТ. ИНСТР., СМ. НАКОПИТЕЛЬ ЯЩИКОВ ДЕТАЛЕЙ, СМ. НАКОПИТЕЛЬ ЯЩИКОВ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ);
СОСТАВ. М. ХРАНЕНИЯ = (СМ. СТЕЛЛАЖ).
5.	Описание базовых типов атрибутных записей.
Описание каждого типа атрибутной записи состоит из последовательного перечисления идентификаторов полей, вслед за которыми приводят их типы. Идентификатор каждого поля имеет вид FN, где N - порядковый
396
номер поля. Функциональный смысл каждого поля указывают как комментарий. Возможны также типы полей атрибутной записи: тип базовой атрибутной записи, массив целых чисел, массив символов, тип перечисления, логический тип, целое число, символ.
Например:
Б. СТАТУС =	RECORD
F1 (РАБОТАЕТ, ОЖИДАЕТ, АВАРИЯ)
END;
Б. СТАТУС. МОДУЛЯ =	RECORD
F1	(*СОСТОЯНИЕ МОДУЛЯ*): Б. СТАТУС;
F2	(*ВОЗМОЖНОСТЬ ЗАГРУЗКИ*): BOOLEAN;
F3	(*ЗАГРУЖЕННОСТЬ*): CARDINAL;
Б. СТАТУС. ПРЕДМЕТА =	RECORD;
F1:	(ЗАГРУЖЕН, РАЗГРУЖЕН, РАЗРУШЕН);
END.
Б. СТАТУС. ПРОЦЕССА =	RECORD;
Fl:	ВЫПОЛНЯЕТСЯ, ЗАДЕРЖАН, НЕОТЛАЖЕН,
ЗАКОНЧЕН);
END;
Б. ПАСПОРТ. МОДУЛЯ =	RECORD;
Fl	^НАИМЕНОВАНИЕ МОДУЛЯ*): ARRAY[0... 10] OF
CHAR;
F2	(*ПОЛНОЕ ВРЕМЯ РАБОТЫ*): CARDINAL;
F3	(*МЕЖОСМОТРОВОЕ ВРЕМЯ*): CARDINAL;
F4	(*ДАТА ПОСЛЕДНЕГО Т.О.*): ARRAY[0...2] OF
CARDINAL;
Б. ПАСПОРТ. НЕИСПР. МОДУЛЯ = RECORD;
Fl (*МОМЕНТ ОСТАНОВКИ*): ARRAY [0...14] OF
CARDINAL;
F2	(*КОД ПРИЧИНЫ*): ARRAY [0... 14] OF CARDINAL;
F3	(*ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПРОСТОЯ*) ARRAY[0... 14] OF
CARDINAL;
END.
6.	Описание объектов-ресурсов состоит в последовательном представлении типов атрибутных записей, принадлежащих каждому типу объекта-ресурса. Идентификатор каждого типа атрибутной записи состоит из идентификатора типа атрибута и идентификатора типа объекта-ресурса. Представление типа атрибутной записи состоит в последовательном описании всех ее полей (отдельных атрибутов объекта-ресурса).
Возможны следующие типы полей атрибутной записи: тип базовой атрибутной записи, массив полей типа базовой атрибутной записи, массив целых чисел, массив символов, тип перечисления, логический тип, целое число, символ.
397
6.1.	Описание объектов-ресурсов.
6.1.1.	Описание модулей:
СТАТУС М. ОБРАБОТКИ =	Б. СТАТУС. МОДУЛЯ;
ПОЛНЫЙ СТАТУС М. ОБРАБОТКИ = ARRAY [ 1 ...6] OF Б. СТАТУС; СТРУКТУРА М. ОБРАБОТКИ =	RECORD
F1	(*СТРУКТ. СМ. ПОРТ*): ARRAY [ 1... 1 ] OF ИМЯ ПАЛЕТЫ;
F2 (*СТРУКТ. СМ. НАКОПИТЕЛЬ ПАЛЕТ*): ARRAY [1...1] OF ИМЯ ПАЛЕТЫ;
F3 (* СТРУКТ. СМ. СТАНОК*): ARRAY [1...1] OF ИМЯ ПАЛЕТЫ;
F4 (*СТРУКТ. СМ. НАКОПИТЕЛЬ ИНСТР. МАГАЗ.*):
ARRAY [1...30] OF ИМЯ ИНСТРУМ. МАГАЗИНА;
F5 (*СТРУКТ. СМ. МАГАЗ СТАНКА*): ARRAY [1...30] OF ИМЯ РЕЖ. ИНСТРУМЕНТА;
END;
ПАСПОРТ М. ОБРАБОТКИ =	Б. ПАСПОРТ МОДУЛЯ;
ПАСПОРТ НЕИСПР. М. ОБРАБОТКИ =
Б. ПАСПОРТ НЕИСПР.
МОДУЛЯ;
6.1.2.	Описание предметов:
СТАТУС ПАЛЕТЫ =	RECORD
F1 (*СОСТОЯНИЕ ПАЛЕТЫ*) Б. СТАТУС ПРЕДМЕТА;
F2 (*КОРРЕКЦИЯ СИСТЕМЫ KOOPflHHAT*):ARRAY [1...6] OF CARDINAL
END;
СТРУКТУРА П. ПАЛЕТА =	RECORD
F1 (*ИМЯ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ*) ИМЯ КОМПЛ. ПРИСП.;
F2 (*ИМЯ ДЕТАЛИ*):	ИМЯ ДЕТАЛИ;
END;
ПАСПОРТ П. ПАЛЕТА =	RECORD
Fl ^ПРИНАДЛЕЖНОСТЬ МОДУЛЮ ОБРАБОТКИ*); ИМЯ
М. ОБРАБОТКИ;
END;
6.2.	Описание объектов-процессов:
СТАТУС ОПЕР. = Б. СТАТУС ПРОЦЕССА;
СТРУКТ. ОПЕР. =	RECORD
F1	(*ИМЯ ПРОГРАММЫ ЧПУ*): ИМЯ ПРОГР.;
F2 (*ИМЯ КОМПЛ. РЕЖ. ИНСТР.*): ИМЯ КОМПЛ. РЕЖ.
ИНСТР.;
F3	(*ИМЯ КОМПЛ. ПРИСПОСОБЛ.*): ИМЯ КОМПЛ. ПРИСП.;
END.
398
Задачи оперативного управления конкретизированы на примере архитектурного решения, показанного на рис. 12.23. Локальная вычислительно-управляющая сеть построена на основе сегментированной кольцевой структуры, узлы в которой связаны последовательными оптоволоконными каналами.
Административное
Рис. 12.23. Вариант архитектурного решения системы управления в интегрированном производстве
Узел является одним из трех объектов: центральной ЭВМ с большими общесистемными полномочиями (хост-машиной), микропроцессорной системой управления некоторым конкретным устройством, терминальной станцией для управления оборудования ГПМ. Терминальная станция служит вершиной в двухуровневой иерархии, на нижнем уровне которой находятся устройство ЧПУ, система управления роботом, программируемый контроллер, а возможно, и другие устройства. Любой узел дооснащен программно-аппаратными средствами с функциями сетевого контроллера.
К основному кольцу реального времени через программно-аппаратный мост подключено дополнительное кольцо, в которое включены инженерные рабочие места.
399
Оперативное управление в ГПС поддерживает взаимодействие технологических и вспомогательных рабочих процессов с одной стороны, ресурсов ГПС - с другой (рис. 12.24).
Рис. 12.24. Схема взаимодействия процессов и ресурсов гибкой производственной системы при организации оперативного управления
Параллельно работающие процессы представляют собой последовательные операции - транспортные, технологические, ввода-вывода, хранения. Последовательные операции образуют маршруты. Каждая операция претендует на ресурсное обеспечение; если необходимые ресурсы (включая обеспечение операции) выделены, то операция выполняется, т.е. маршрут продвигается на один шаг. Существуют очереди к отдельным ресурсам; работа системы оперативного управления состоит в анализе запросов на ресурсы и их удовлетворении (рис. 12.25).
Маршруты операций могут стать прямыми объектами оперативного управления, при этом операцией называем укрупненную часть маршрута, связанную с захватом очередного модуля. Операции предъявляют запросы не только на модули, но и на другое ресурсное обеспечение. Ядром системы оперативного управления является диспетчер, который на основе данных информационной модели составляет очереди к ресурсам, привлекает к управлению очередями некоторую дисциплину, принимает решение о закреплении ресурсов за операциями.
Система оперативного управления построена как двухуровневая. Верхний уровень работает с модулями, и детали внутренней структуры модуля для этого уровня закрыты. Нижний уровень оперативного управления работает внутри модуля, т.е. с субмодулями. Системе верхнего уровня неизвестны физические особенности используемых в ГПС технических
400
Процессы
Ресурсы
Рис. 12.25. Общая схема очередей процессов к ресурсам гибкой производственной системы
средств, а это позволяет на верхнем уровне не принимать во внимание физические подробности и характеристики применяемого оборудования, использовать на нижнем уровне фонд готовых решений. Далее рассмотрена система оперативного управления верхнего уровня.
Во входном интерфейсе системы оперативного управления, принимающем задание на управление, существуют два информационных потока (см. рис. 12.18). Один из них связан с планированием ресурсов ГПС во времени: это расписание во всевозможных модификациях. Другой же поток осуществляет пространственное планирование шагов заданий, в качестве которых выступают операции. Этот второй поток в том или ином варианте представляет собой план технологического процесса. Оба информационных потока независимы, но могут найти свое отражение и во всякого рода смешанных входных документах. В любом случае в модели оперативного управления какой-то из этих двух потоков может быть принят в качестве первичного (т.е. главного), и это определит саму концепцию управления. Таким образом, существуют две ситуации, в которых основным является либо расписание, либо план технологического процесса.
Если в качестве основного потока будет принято расписание (которое приобретает в этом случае характер управляющей программы ГПС), то
401
функции оперативного управления сведутся к управлению коллективом технологических алгоритмов, отраженных в управляющих программах ЧПУ. Соответствующей станет и цель оперативного управления: своевременная инициация управляющих программ ЧПУ согласно расписанию с одновременным разрешением всех коллизий, возникающих из необходимости взаимодействия программ или из-за претензий на одни и те же ресурсы.
Пусть основными полагаются планы технологических процессов. Тогда функции оперативного управления будут сосредоточены на обеспечении шагов заданий (т.е. операций), выделенных из очередей планов технологических процессов (т.е. маршрутов) распределенными ресурсами (т.е. модулями). Математической моделью управления в этом случае будет система массового обслуживания, а само управление проявится в ведении очередей.
Пусть основным потоком будет тот, который несет в себе информацию о расписании. Расписание выстраивает к модуля ГПС упорядоченные очереди шагов активных заданий, т.е. операций. (Под модулями понимаем модули хранения, транспортирования, ввода-вывода, технологический) Будем считать, что модуль программно защищен семафором SJh где i -порядковый номер модуля на участие. Схема формирования очередей представлена на рис. 12.26.
Рис. 12.26. Схема формирования очередей к гибкому производственному модулю из шагов отдельных заданий
Одно и то же задание одновременно стоит в разных очередях и в разных местах этих очередей. Текущее состояние очередей будем полагать
402
состоянием расписания. Задания, многократно исполняемые на модуле, стоят в очереди в нескольких местах одновременно.
Планы технологических процессов, будучи отраженными в подчиненном входном информационном потоке, представлены заданиями в виде последовательных перечислений используемых в технологических процессах модулей (рис. 12.27). В приведенном на рисунке примере подразумевается: А - модуль хранения; В - транспортный модуль; С, D^E- технологические модули. Каждое задание может быть представлено помимо перечисления модулей еще и набором технологических алгоритмов в виде
Задание L
Модули
Рис. 12.27. Задания, представленные перечислениями модулей, используемых в технологических процессах
управляющих программ ЧПУ, выполняемых квазипараллельно в рамках полного периода работы, задания. Каждая программа приписана одному шагу задания. В рамках программы осуществляется захват разделяемого ресурса, в качестве которого выступает деталь - объект задания. Деталь, как и любой разделяемый ресурс, программно защищена семафором SPi, где / - номер (имя) задания (рис. 12.28). Управление квазипараллельными программами относится к проблеме управления коллективом алгоритмов. В каждой программе коллектива выделена критическая секция, которая
Рис. 12.28. Структурная схема притязаний управляющих систем ЧПУ (в составе расписаний модулей) на деталь как разделяемый ресурс
403
предполагает использование разделяемого ресурса - детали. Остальная часть программы связана с выполнением независимых от этой конкретной детали действий. На рис. 12.28 показана структура притязаний программ на разделяемый ресурс - деталь, причем критические секции за
штрихованы.
Коллектив, показанный на рис. 12.28, можно назвать «коллективом (/)», поскольку от связан с «заданием (/)». При выборе расписанием пары (задание, модуль) управление передается монитору коллектива (/); а тот в свою очередь активизирует программу коллектива, которая соответствует модулю. Если деталь для этого модуля освобождена из предыдущего шага технологического процесса, то семафор SPi окажется открытым, и модуль приступит к работе. В противном случае модуль будет ожидать завершения предыдущего шага технологического процесса.
Выполнение необходимых
Рис. 12.29. Структуры монитора и критической секции, поддерживающих программные переходы при управлении в гибкой производственной системе
Критическая
программных переходов и переходов в состояние ожидания поддерживается соответствующей структурой монитора и критической секции (рис. 12.29). Алгоритмический смысл операторов, обрамляющих монитор и критическую секцию, таков:
Закрыть SJ: SJ = 0; Открыть SJ: SJ= 1, перейти к анализу открытых семафоров типа SJ. Оградить SD: if SD = 1 then SD: = 0 else, перейти к анализу открытых семафоров типа SD. Освободить SD: SD = 1, перейти
к монитору.
При подобного типа управлении абсолютные метки времени, обозначенные расписанием, не используются. Однако они полезны для оценки расхождения между фактическими и расчетными процессами. Если это расхож
дение станет чрезмерным, дается команда на перерасчет расписания.
Положим в качестве основного информационного потока планы технологических процессов. Они представляют собой множество заданий (маршрутов), выполнение шагов (операций) которых связано с захватом модулей. Шаги заданий становятся объектами системы оперативного управления, для которой предметом анализа будут отношения шагов заданий к модулям, а не их отношения между собой. Шаги заданий первичны, а программы ЧПУ, связанные с их использованием, вторичны.
Для системы оперативного управления шаги заданий существуют в их состояниях (рис. 12.30). К каждому модулю могут быть созданы очереди готовых, задержанных, приостановленных, ожидающих. Чтобы модуль не простаивал, должна быть по крайней мере создана очередь готовых. Очередь задержанных создает определенный резерв, и может оказаться полезным поддерживать ее непустой. Очередь приостановленных возникает при отказе модуля или запуске внеочередных заданий.
Очередь готовых должна быть выстроена согласно расписанию. При этом имеют значение не абсолютные метки времени запуска шага задания на
404
Возобновить
задания
Отказать в ресурсах
сурсы
Передать системе управления нижнего уровня
Приоста-
Вернуть шаг заданию
Приостановить
новлен-
ный
Ожидаю\ Выделить шаг из
щии
Заплани-
ровать ре-
Готовый
Работающий
За дер-манный ]вернуть шаг заданию
Вернуть шаг заданию
Рис. 12.30. Состояния шагов заданий с позиций системы оперативного управления гибкой производственной системой
модуле, а отношения предшествования. Если фактическая структура очереди готовых не отвечает расписанию, оно должно быть перерассчитано.
Одна из модификаций рассмотренного метода указывает на способ организации размещения и движения очередей.
Для ГПС вводят понятие «место», которое принадлежит одному из следующих типов: входное место ГПС, место в локальном накопителе ГПС, место на складе, входное место ГПМ. Все места имеют свое имя, а каждое конкретное место пребывает в одном из трех состояний: свободно, зарезервировано и свободно, зарезервировано и занято. Переходы между свободным и занятым состояниями представляют собой «события». Таким образом, основных событий два: место занято, место свободно. Работа системы оперативного управления состоит в получении сообщений о событиях, в обработке сообщений, в формировании команд, содержанием которых являются директивы относительно смены мест. Попадание в рабочее место модуля означает передачу управления системе нижнего уровня для выполнения очередного шага задания. Работа системы управления рассмотрена ниже.
Пусть занято входное место ГПС, тогда для детали определяется следующая операция и выбирается подходящий ГПМ; устанавливается имя очереди к накопителю ГПМ, а сама деталь включается в эту очередь; определяется целевое место детали; управление передается транспортному модулю.
Пусть занято входное место ГПМ, тогда деталь исключается из очереди к ГПМ, а управление передается системе нижнего уровня (т.е. системе самого модуля).
405
Пусть занято место в локальном накопителе ГПС, тогда при выполненной операции для детали устанавливается признак следующей операции; при завершении маршрута операций деталь включается в очередь к выходному месту; при незавершении маршрута выбирается подходящий ГПМ и осуществляются такие же действия, как и при занятии входного места; при невыполнении текущей операции деталь включается в очередь к ГПМ.
Пусть занято место на складе, тогда определяется очередная операция, и деталь включается в соответствующую очередь к ГПМ; если же маршрут завершен, то деталь попадает в очередь к выходному месту.
Пусть занято выходное место, тогда деталь исключается из соответствующей очереди.
Пусть освобождается входное место ГПС, тогда формируется заявка на ввод в ГПС очередной детали.
Пусть освобождается входное место ГПМ, тогда формируется заявка на продвижение очереди к ГПМ.
Пусть освобождается место в локальном накопителе ГПС, тогда формируется заявка на использование этого места модулями ГПС.
Пусть освобождается место на складе, тогда осуществляется поиск деталей, имеющих неопределенное целевое место, а управление передается транспортному модулю.
Пусть освобождается выходное место, тогда формируется заявка на продвижение соответствующей очереди.
Сообщения о событиях отрабатываются системой оперативного управления в рамках программы (рис. 12.31).
PROCEDURE EVENT1 BEGIN • • • • • END
BEGIN
LOOP
PROCEDURE EVENT! BEGIN • • • • • END
PROCEDURE EVENT N BEGIN • • • • • END
(* основной цикл программа системы управления ГПС*) ждать сообщения о событии', вызвать процедуру PROCEDURE EVEN обработки события ;
END
END
Рис. 12.31. Программа обработки системой оперативного управления сообщений о событиях
Взаимоотношения систем оперативного управления на уровне ГПС (верхнем) и на уровне модулей (нижнем) показано на рис. 12.32. Сообщения о событиях инициируются самими событиями. Передача статусов инициируется очередной командой, предназначенной модулю.
406
Рис. 12.32. Взаимоотношение систем оперативного управления на уровне ГПС и на уровне модулей
Команды
12.5. Управление цехом
Управление цехом заключается в планировании и выполнении заказов. Система управления включает технические средства (локальную вычислительную сеть) и соответствующее поставленной задаче программноматематическое обеспечение. Особенностью системы управления является то, что она опирается на организационную структуру цехового производственного оборудования, которое может иметь самый различный уровень автоматизации (от ручного до управляемого с помощью ЭВМ). Построение системы управления в особенности актуально в условиях гибкого производства, когда поток заказов носит нестационарный характер.
Общая схема системы управления цехом показана на рис. 12.33. В потоке заказов выделены три их категории. К первой относятся стабильные заказы, которые предусмотрены календарным планом и составляют основу суточного оперативного плана. Ко второй категории относятся оперативные заказы различной степени срочности, причем эта степень определена приоритетом. С повышением приоритета стоимость исполнения заказа су
Рис. 12.33. Схема управления цехом в условиях гибкой производственной системы
407
щественно возрастает, что учитывается соответствующим тарифным коэффициентом. К третьей категории относятся фоновые заказы, некритичные ко времени запуска в производство.
Определим функцию ресурсов Ro (t) цеха как Ro = — [Т(0], где T(f) -dt
станкоемкость цеха (с размерностью времени); t - текущее время на горизонте планирования. Определим функцию потребляемых заказом i ресурсов Rj(f) как	=—[7](0]л где Дг) - станкоемкость заказа. Определим
dt
средний потребляемый заказом i ресурс Rj как 7?z =- iR^^At), где Atj -
о
расчетное время выполнения заказа.
Управление цехом состоит в наиболее эффективном использовании его ресурсов Ro с учетом ограничений, связанных с параметрами заказов. Существует необходимость в целенаправленном поддержании баланса между Ro(t) и ^Rj(t). При планировании и исполнении заказов возникают j
четыре задачи: воспрепятствовать превышению резерва цеховых ресурсов; выровнять распределение заказов, смещая их с пиковых по загрузке интервалов времени в менее напряженные интервалы; удовлетворить требованиям дифференцированных тарифов, когда некоторым заказам предоставляется наименее дефицитное время (например, ночное), но по льготным тарифам; обеспечить продвижение запланированных заказов в реальном времени.
Система управления цехом распадается на две части: систему оперативного планирования и систему управления в реальном времени (см. рис. 12.33). Система управления опирается на информационную модель, которая отражает состояние ресурсов и прохождение заказов. В силу большой размерности задачи планирования к ее решению привлекают эвристические правила базы знаний экспертной системы.
Ресурсы цеха Ro указывают на его предельные возможности. Этот показатель не обязательно постоянен в течение суток (т.е. в пределах горизонта оперативного планирования), как это условно показано на рис 12.34. Рисунок представляет полигон планирования, на котором отражается фактическое соответствие между запрашиваемыми и имеющимися ресурсами.
Заказы предъявляют запросы не на ресурсы вообще, а на ресурсы определенного оборудования, и это обстоятельство при размещении заказов должно быть учтено. Конечной оценкой качества плана служит полигон, демонстрирующий полные затраты цеховых ресурсов на фоне ограничений на эти ресурсы. Так, на рис. 12.34 показаны временные интервалы, когда цеховые возможности недоиспользованы, а также и другие интервалы, когда эти возможности превышены. На полигоне условно показано также размещение некоторого заказа номера i.
408
с Горизонт оперативного планирования^
Рис. 12.34. Полигон оперативного планирования
Задача оперативного планирования состоит из двух подзадач: предотвращения перегрузки цеха и предотвращения недогрузки цеха. Обе подзадачи должны удовлетворять требованиям, вытекающим из различных приоритетов заказов. Общая схема составления плана следующая: первоначальное размещение стабильных заказов по графику календарного планирования; включение в план оперативных заказов с учетом дифференцированных тарифов; выравнивание заказов на полигоне планирования с учетом ограничений; использование резервных ресурсов цеха для включения в план фоновых заказов.
Процесс выравнивания на полигоне планирования состоит в выполнении «акций». Акция представляет собой пятерку: имя заказа, атрибуты заказа, текущий интервал, интервал переназначения, средний потребляемый заказом ресурс. Последствия одной или нескольких акций должны быть оценены путем построения полигона, и в случае неуспеха выполняется ревизия путем возврата («backtracking»).
В составе блока планирования выделены два программных модуля: ВЫКЛ для предотвращения перегрузки цеха и ВКЛ для предотвращения недогрузки и удовлетворения требованиям дифференциальных тарифов. При составлении оперативного плана первой возникает проблема очередности вызова модулей; это - вопрос общей стратегии, который не связан с внутренним содержанием модулей.
Можно активизировать прежде модуль ВКЛ, поскольку он напрямую связан с тарифной дифференциацией. Модуль попытается переместить заказы во временную область со слабой загрузкой ресурсов, что, вероятно, снизит и общую пиковую загрузку цеха. Если предполагаются явные перегрузки, следует сначала активизировать модуль ВЫКЛ. После ликвидации пика можно обратиться к модулю ВКЛ, а далее вновь к модулю ВЫКЛ для предотвращения других перегрузок.
409
Выбор стратегии планирования зависит от текущей ситуации, и на этот счет в базе знаний имеются эвристические правила. Кроме того, существует машина вывода стратегических решений, как это принято в экспертных системах.
Модуль ВЫКЛ определяет критический временной интервал полигона и анализирует включенные в него заказы. У заказов имеются ограничения на их временную задержку, связанные с приоритетом. Попытка перемещения заказов предпринимается с учетом допустимой временной задержки, которая определяется приоритетом. После этого моделируются возможности выполнения скорректированного плана.
Модуль ВКЛ анализирует те заказы, которые можно свободно перемещать в пределах определенных интервалов времени. В более сложных случаях заказ может быть разбит на части. Далее делаются попытки запланировать выполнение фоновых заказов.
Работа модулей ВЫКЛ и ВКЛ связана с использованием эвристических правил экспертной системы. Бесперспективно аналитическое решение задачи о выполнении акций из-за большой ее размерности. К тому же, блок планирования должен уметь распознавать препятствия к дальнейшему составлению плана и отождествлять эти препятствия с запланированными акциями. Следовательно, по мере составления плана необходимо строить сеть зависимых событий, описывающих причинно-следственные связи акций, включаемых в план; обоснования к такому включению; предсказания последствий включения. В этом случае существует вся необходимая информация для работы механизма «backtracking», который является частью экспертной системы. Указанный механизм может быть инициирован и в результате работы системы реального времени, которая по своему усмотрению привлекает незапланированные акции или отвергает запланированные.
Практическая реализация блока планирования целесообразна по типу кластера (рис. 12.35). Кластером называют функционально-замкнутое структурированное множество объектов, связанных определенными отношениями. Здесь кластер представляет собой трехуровневую иерархию, причем уровни называются соответственно: система, группа, задача. Система несет в себе стратегические принципы решения проблемы, и в нашем случае она определяет последовательность вызова модулей ВКЛ и ВЫКЛ. Группа занимается отработкой шагов в рамках выбранной стратегии, и в нашем случае группы отождествлены с самими модулями ВЮ1 и ВЫКЛ. Задача связана с реализацией конкретных планирующих функций, и в нашем случае эти функции направлены на выполнение акций.
Управление в реальном времени состоит в осуществлении оперативного плана. В силу всякого рода возмущений и флуктуаций управление не может служить простой временной разверткой плана, составленного априорно, и в этой связи нуждается в собственных стратегических принципах. При формулировании подобных принципов можно опираться на модель системы массового обслуживания, причем заказы выступают в роли клиентов, а производственное оборудование - в роли элементов сервиса. Указанный подход требует структурной организации производственного оборудования путем выделения виртуальных производственных объектов.
Виртуальные производственные объекты состоят из двух групп. В первую входят те, которые определены перед системой управления как про-410
Рис. 12.35. Структурная схема кластера для реализации блока планирования
изводственные и информационные единицы, являющиеся носителями станкоемкости. Обозначим такие объекты как виртуальные ресурсы времени. Во вторую группу входит единственный виртуальный производственный объект, который интегрирует все транспортно-складские операции, носителем станкоемкости не является и может быть квалифицирован как виртуальный ресурс пространства.
Виртуальный объект является реальным построением (рис. 12.36). Термин «виртуальный» означает такую целенаправленную трансформацию производственных объектов, при которой они при всем своем физическом различии становятся одинаковыми (с позиций системы управления) ресурсами, подчиняющимися единой схеме информационного взаимодействия. Такая трансформация показана на трех примерах виртуальных ресурсов времени (рис. 12.36, /, II, III) и на примере виртуального ресурса пространства IV.
Наиболее простым виртуальным ресурсом времени является обычный станок с ручным управлением (см. рис. 12.36, 7). Чтобы обрести самостоятельность перед системой управления, такой станок должен быть оснащен диалоговым терминалом, входящим в локальную вычислительную сеть. Через терминал к оператору поступают задания, связанные с выполнением заказов, и возвращается информация о фактическом использовании ресурсов. Многоэтажная структура виртуального объекта показывает, как из технологического объекта последовательно формируется информационная единица.
ГПМ имеет в сравнении со станком с ручным управлением значительно более сложную внутреннюю структуру (рис. 12.36, II), однако с позиций системы управления он представляет собой точно такой же вирту-
411
Терминал Оператор Приводы Станок
СистемаЧПУ
Приводы
Станок
Терминал ГПМ
Программируемый контроллер
Приводы		Приводы		Приводы
Перегрузчик		Накопитель		Порт
Интерфейс Оператор Приводы
Станок
Терминал участка
______Интерфейс
Оператор
Приводы	Приводы
Станок	Станок
I
Терминал транспортно-складской системы
Интерфейс
Оператор
Интерфейс Оператор
Интерфейс
Система управления
Система группового управления
Приводы
Оператор
Ручные транспортные средства
Склад
Система управления
Приводы
Система управления
Приводы
Робокар
Робокар
Рис. 12.36. Построение виртуальных производственных объектов
альный ресурс времени. Участок станков с одним терминалом (рис. 12.36, III) также является единым виртуальным объектом, внутренняя структура которого может отражать индивидуальное или многостаночное обслуживание со стороны оператора. При этом детали внутренней структуры системе управления неизвестны.
Принципы построения виртуального ресурса пространства (рис. 12.36, IV) аналогичны. Этот ресурс находится в ведении системы управления, а системой оперативного планирования вообще не рассматривается, поскольку он не является источником станкоемкости.
Исполнение заказов состоит в предоставлении им виртуальных ресурсов времени. Получив ресурс, заказ начинает «поглощать» его станкоемкость. Для получения ресурсов заказы стоят к ним в очередях (рис. 12.37), предъявляют системе управления запросы на обслуживание. Система
412
управления выделяет ресурсы в соответствии с оперативным планом. Воспользовавшись одним ресурсом, заказ может перейти в очередь к другому ресурсу. Такие переходы заданы технологическими маршрутами, описания которых входят в общую систему описаний заказов.
Рис. 12.37. Схема исполнения заказов путем управления очередями к ресурсам
Виртуальные ресурсы времени являются разделяемыми, т.е. такими, на которые одновременно могут претендовать разные заказы. Помимо разделяемых существуют и выделяемые ресурсы, которые выступают в качестве индивидуальной принадлежности заказа. Сюда относятся материальные средства (заготовки, инструменты, приспособления и др.), а также документы (технологические документы, программы ЧПУ и др.). Доставка выделяемых ресурсов к месту выполнения заказа также является задачей системы управления, для решения которой она пользуется услугами виртуального ресурса пространства и услугами локальной вычислительной сети.
Технические средства системы управления объединены в локальную вычислительную сеть, одним из вариантов топологии которой может быть многокольцевая структура с кольцами реального времени, инженерным и административным. Разумной реализацией кольца в условиях промышленных помех является оптоволоконный моноканал. Не существует практических ограничений на число абонентов в каждом кольце. В качестве таких абонентов выступают терминалы, каждый из которых представляет собой виртуальный ресурс, а также компьютеры различного назначения (рис. 12.38).
При компьютерном управлении цехом изменяется организация производства вследствие сокращения непроизводственных циклов; повышается хозрасчетная эффективность за счет привлечения механизма дифференцированных тарифов и сокращения общего времени выполнения заказов; повышается коэффициент использования производственного оборудования. При высокоуровневом управлении не требуется тотальная автоматизация (которая не всегда эффективна), но требуется соответствующее информационное обеспечение производства (которое окупается в кратчайшие сроки).
413
Администратор . ное кольцо j
Рис. 12.38. Схема локальной вычислительной сети для управления цехом в условиях гибкой производственной системы
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Евгенев Г.Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1983. - 304 с.
2.	Протоколы информационно-вычислительных сетей: Справочник /С.А. Аничкин, С.А. Белов, А.В. Бернштейн и др. / Под ред. И.А. Мизина, А.П. Кулешова. - М.: Радио и связь, 1990. - 504 с.	. ‘
3.	Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л. Управление гибкими производственными системами. - М.: Машиностроение, 1988. - 352 с.
4.	Сосонкин В.Л., Шергин Л.Е. Языковые средства проектирования управления развитой электроавтоматикой И Управляющие системы и машины. - 1988. № 6, - С. 95-100.
5.	Сосонкин В.Л.9 Самородских Л.Б. Построение информационных моделей ГПС // Станки и инструмент. - 1989. № 5. - С. 5-8.
6.	Сосонкин В.Л. Типовые решения при управлении гибким производством И Станки и инструмент. - 1988. № 8. - С. 10-12.
7.	Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. - М.: Машиностроение, 1989. - 296 с.
8.	Управление ГПС. Модели и алгоритмы / Под общ. ред. С.В. Емельянова. - М.: Машиностроение, 1987. - 368 с.
9.	Шербо В.К., Киреичев В.М., Самойленко С.И. Стандарты по локальным вычисли-
; тельным сетям: Справочник / Под общ. ред. С.И. Самойленко. - М.: Радио и связь, 1990.-304 с.
414
Глава 13.
АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ И ДИАГНОСТИРОВАНИЕ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
13.1.	Диагностические параметры для оценки состояния и работоспособности
Диагностические параметры необходимо измерять и оценивать в реальном масштабе времени для определения состояния и работоспособности как станочной системы в целом, так и отдельных единиц технологического оборудования, инструментальных, транспортных и складских систем, систем управления, а также поиска дефектов для прогнозирования состояния этого оборудования.
Существует большое число физических параметров, являющихся исходными для диагностики состояния технических объектов и систем. Ниже приведены группы физических параметров, из которых необходимо выбрать ограниченное число наиболее информативных диагностических параметров для оценки состояния различных характеристик работоспособности.
Геометрические: длина, площадь, плоский угол, телесный угол, кривизна линии, кривизна поверхности, момент сопротивления плоской фигуры, осевой и полярный моменты инерции.
Кинематические: путь, траектория, направление движения, начальная и конечная точки, скорость, ускорение, период, угловая скорость, угловое ускорение, градиент скорости, частота периодического процесса, объемный расход.
Силовые (статические и динамические): масса, сила, импульс силы, количество движения, давление, градиент давления, деформация, жесткость, работа, энергия, мощность, амплитуда, АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, общий уровень колебаний, форма колебаний, объемная плотность, коэффициент трения, коэффициент сопротивления, коэффициент упругости, момент силы, момент инерции, массовый расход.
Механические: плотность, удельный объем, удельный вес, коэффициент растяжения; модуль продольной упругости, коэффициент всестороннего сжатия, твердость, ударная вязкость, коэффициент поверхностного нажатия.
Тепловые: температура, количество теплоты, температурный градиент, тепловой поток, поверхностная плотность теплового потока, энтропия, объемная и удельная теплоемкости, коэффициент теплопроводности, коэффициент теплопередачи, коэффициент температуропроводности.
Акустические: звуковое давление, объемная скорость, звуковая энергия, плотность звуковой энергии, интенсивность звука, акустическое сопротивление, удельное акустическое сопротивление, высота звука, тембр звука, громкость звука, акустический коэффициент отражения, акустический коэффициент поглощения.
Электрические и магнитные: сила тока, плотность тока, электрическое сопротивление, электрическая проводимость, удельное электрическое сопротивление, удельная проводимость, магнитная индук-
415
ция, магнитный поток, напряженность магнитного поля, магнитный момент, магнитодвижущая сила, магнитное сопротивление, индуктивность, напряжение, емкость, потенциал, электрический момент диполя, диэлектрическая проницаемость.
Временные: время, временные интервалы, фаза, частота периодического процесса.
С усложнением современного оборудования, повышением требований к его точности и надежности увеличивается число контролируемых параметров и, следовательно, необходимых измерительных средств.
Диагностическими признаками (параметрами технического состояния) по которым можно судить о станочных системах и их составляющих и которые контролируют в процессе диагностирования, могут быть приведенные ниже:
а)	параметры технологического оборудования, непосредственно характеризующие его работоспособность (точность вращения шпинделя станка в опорах, точность перемещения суппорта по направляющим, точность позиционирования суппорта или стола и т.п.);
б)	повреждения, которые возникают в процессе эксплуатации и приводят или могут привести к отказу, например, износ, деформация.
Это те диагностические признаки, по которым можно сделать вывод о техническом состоянии станка, так как они являются первопричиной отказа и связаны с выходными параметрами некоторой функциональной зависимостью. Число этих признаков в станках велико, и их одновременное диагностирование затруднено, поэтому следует контролировать параметры тех элементов оборудования, у которых заранее известно, что их повреждения являются основными причинами потери работоспособности, например, изнашивание направляющих, ходовых винтов, шпиндельных подшипников, коробление станины и корпусных деталей;
в)	Косвенные признаки, функционально или стохастически связанные с выходными параметрами: виброакустические и тепловые характеристики, наличие в смазочных материалах продуктов изнашивания и др. Существенным преимуществом использования косвенных признаков является возможность их оценки непосредственно в процессе работы станка; недостатками - наличие стахостической связи между косвенными признаками и выходными параметрами станка и влияние на диагностический сигнал посторонних факторов и шумов, не связанных с работоспособностью оборудования. Тем не менее, косвенные признаки работоспособности широко применяют для диагностики.
Выбор номенклатуры диагностических параметров узла представляется наиболее ответственным этапом. Необходимо установить оптимальное число диагностических параметров как компромиссное между сложностью диагностирования и достоверностью оценки характеристик работоспособности оборудования, входящей в состав станочной системы. Чем выше требования к точности обработки, тем большим числом диагностических параметров должно оцениваться состояние оборудования.
Диагностическими параметрами для оценки состояния узлов станков и их систем служат нижеследующие.
Диагностирование точностных и кинематических характеристик включает оценку точности движения формообразующих узлов станков и исполнительных органов транспортных систем и роботов, точности их 416
позиционирования и точности взаимного расположения формообразующих узлов.
Одни параметры точности оценивают при испытаниях или при профилактике станков, роботов и транспортных систем, другие - непосредственно в процессе работы. В последнем случае весьма удобным и информативным методом является оценка точности по траекториям движения (рис. 13.1) опорных точек формообразующих узлов (см. т. 1, гл. 6 и т. 2, гл. 3). Для круговых траекторий это - смещение центра траектории, эксцентриситет вращения, овальность, гранность, волнистость, шероховатость, координаты начала и конца траектории; для линейных траекторий -размах траектории, наклон траектории, волнистость, шероховатость, координаты начала и конца траектории.
А
Рис. 13.1. Круговые траектории движения опорных точек формообразующего узла станка (переднего конца шпинделя):
/ - на холостом ходу; 2 - под нагрузкой; А - смещение центра траектории под действием силы резания; хтах - биение по оси утах - биение по оси Y
Точность взаимного расположения формообразующих узлов оценивают по отклонениям от заданного взаимного положения и по отклонениям от заданного передаточного отношения.
Для диагностирования используют также результаты активного контроля деталей, получаемые непосредственно в процессе обработки. Параметры качества обрабатываемых деталей, погрешность размера, отклонение взаимного расположения поверхностей, погрешность формы, волнистость и шероховатость поверхности.
Кинематические характеристики оценивают по таким диагностическим параметрам, как частота вращения, перемещение, скорость и ускорение перемещения, передаточное отношение, отклонение от заданного передаточного отношения.
Энергетические и силовые характеристики оценивают с помощью силы резания, моментов в приводах, тяговых усилий, силы трения, давления в гидро- и пневмосистемах, давления на направляющих и в стыках, напряжения в деталях, деформаций в характерных точках, статической и динамической жесткости, мощности, КПД, потерь на трение.
Статическая жесткость достаточно информативна. Форма кривых жесткости в координатах «сила - деформация», линейность характеристики,
14 - 42	4 1 7
характер петли гистерезиса, запаздывание деформации и другие являются диагностическими сигналами о состоянии упругой системы станка.
Частотные и виброакустические характеристики, применяемые для диагностики, весьма разнообразны. Чаще других используют амплитуду, частоту, фазу, виброперемещения, виброскорости и виброускорения характерных точек станка. Современные диагностические установки, оснащенные ЭВМ, позволяют получать частотные характеристики в реальном масштабе времени. По АЧХ, АФЧХ, спектрограммам оценивают динамическое состояние узла или системы. Для этих же целей используют общий уровень вибраций.
Для оценки шума применяют многочисленные акустические характеристики, в том числе уровень вибраций, уровень шума, интенсивность звука, громкость звука, тембр звука.
Весьма удобным и наглядным способом вероятностной оценки точности станка и его отдельных узлов является сравнение области состояний по АЧХ с соответствующей областью работоспособности. Область работоспособности при этом всегда ограничена максимально допустимым значением амплитуды колебаний [Л] (рис. 13.2, а}.
Рис. 13.2. Примеры оценки динамического состояния станка по частотным характеристикам:
а - области работоспособности I и состояний II по АЧХ; б - динамическое качество различных типов приводов для прецизионного станка; в - области работоспособности I и состояний II по АФЧХ; г - опытные распределения амплитуд F[A] и углов сдвига фаз F[(p] в фиксированном интервале частот
Значение [J] непосредственно связано с точностью изделий. Если при обработке частоты колебаний заготовки и инструмента совпадают с резонансными частотами отдельных узлов станка, то амплитуда колебаний 418
значительно возрастает, и область II состояний амплитуды колебаний выходит за границу области I работоспособности. Тогда в интервале резонансных частотfi и f2 (см. рис. 13.2, а) обработка полностью исключается.
В некотором интервале частот на область работоспособности налагаются дополнительные ограничения по амплитуде, необходимые, например, для обеспечения заданной шероховатости поверхности (амплитуда [А2], начиная с частоты/;). Таким образом, в общем случае область работоспособности по АЧХ имеет вид, представленный на рис. 13.2, а.
Область II состояний, представляющая собой совокупность конкретных реализаций АЧХ при различных режимах обработки изделий, полностью выходит за границу [Л/] области работоспособности в интервале частот/).../ и обработка на этих частотах совершенно исключена. В интервале частот/.../ верхняя граница выходит за границу Aj области работоспособности. Это значит, что для достижения .заданной точности обработки должны быть исключены режимы обработки, при которых амплитуды колебаний превышают значение [Л/] в интервале частот/.../.
Начиная с частоты /, по технологическим соображениям (например, с учетом увеличения скорости резания для обеспечения заданной шероховатости поверхности при чистовой обработке изделий из легких сплавов) допустимые значения амплитуд колебаний могут уменьшаться до [А2]. В интервале f?.../} верхняя граница области состояний выходит за границу области работоспособности. Следовательно, режимы обработки, при которых АЧХ выходит за границу [А2], не обеспечивают заданной точности обработки в указанном интервале частот. Если бы граница области работоспособности не претерпела изменений, то область состояний АЧХ в интервале частот/7 . / удовлетворяла бы значениям [Л/].
Для частот/ и/ на рис. 13.2, а приведены распределения р{А2}, амплитуд для всей совокупности реализаций АЧХ, полученных при варьировании эксплуатационных факторов. Показана вероятность выхода области состояний за границы области работоспособности.
В качестве конкретного примера на рис. 13.2, б показан выбор типа привода прецизионного шпиндельного узла путем сравнения областей 2 и 3 состояний по АЧХ приводов двух типов с областью 1 работоспособности. Область 2 состояний сформирована совокупностью спектрограмм осевых колебаний переднего конца шпинделя при его приводе посредством аэростатической пальцевой муфты; варьируемыми факторами были рабочий зазор в пальцах муфты (0,025...0,150 мм) и частота вращения шпинделя (630... 1120 об/мин). Область 3 состояний сформирована совокупностью аналогичных спектрограмм при инерционном приводе, варьируемым фактором при этом была частота вращения шпинделя (630... 1250 об/мин).
Из рис. 13.2, б видно, что условиями обеспечения точности обработки соответствует верхняя граница области 1 работоспособности (предельная амплитуда осевых колебаний шпинделя [JJ=0,1 мкм). Этому условию полностью отвечает шпиндельный узел с инерционным приводом, область 2 состояний которого не превышает значений 0,08 мкм (на частоте 30 Гц). Шпиндельный узел с приводом от аэростатической муфты не обеспечивает заданной точности практически во всем интервале частот, кроме высоких (более 300 Гц). Однако если допустимая погрешность обработки составляет 0,2 мкм, то такой привод, намного быстрее осуществляющий разгон и торможение шпинделя, может быть пригодным за исключением интерва
419
лов частот f = 28...40 и 45...78 Гц. Если же [Az] = 0,3 мкм, то этот привод полностью удовлетворяет условиям точности.
Для АФЧХ, являющейся наиболее информативной частотной характеристикой, границы области работоспособности (рис. 13.2, в, 7) формируют с учетом ограничений по амплитуде, частоте и сдвигу фаз.
Область состояния по АФЧХ (рис. 13.2, в, II) сформирована совокупностью конкретных реализаций АФЧХ. При сравнении областей работоспособности и состояний по АФЧХ выявляются зоны неустойчивой и устойчивой работы без обеспечения заданной точности обработки, а также зона, в которой для обеспечения заданной точности изделий приходится снижать режимы обработки, что приводит к снижению производительности.
Статистическое исследование области состояний амплитуды колебаний опорной точки в интересующем направлении при постоянном силовом воздействии позволяет оценить с вероятностных позиций влияние различных факторов на узел или станок.
Так, оценив положение области I состояний амплитуды А (рис. 13.2, г) относительно области 2 работоспособности, можно проанализировать действие одного конкретного или нескольких одновременно действующих на узел факторов либо для характерной частоты /, либо для некоторого характерного, достаточного узкого интервала частот f-k—ft+h С этой целью после того, как совокупностью АФЧХ (см. тонкие линии на рис. 13.2, г) сформирована область состояний характеристик Жэус при фиксированной частоте / (или для интервала частот fi-k...fi+к^ строят опытные распределения Тфр] углов сдвига фаз. Затем вычисляют вероятность выхода опытных распределений за границы области работоспособности (см. зачерненные зоны).
Диагностика тепловых процессов особенно важна для прецизионных станков, когда даже незначительное изменение температуры узлов станка нарушает их взаимное расположение, а следовательно, первоначальную точность, и непосредственно сказывается на точности обработки. Проявляясь во времени, тепловые процессы изменяют также жесткость станка, его виброхарактеристики, характеристики стыков.
Поскольку тепловые процессы в станках имеют ярко выраженный случайный характер (рис. 13.3), то необходимо корректировать взаимное положение формообразующих узлов станка при изменении их температуры.
Рис. 13.3. Рассеяние значений диагностических параметров под действием тепловых процессов:
а - смещение переднего конца шпинделя Ду токарного станка в вертикальной плоскости; б - поворот оси шпинделя Ду в вертикальной плоскости; показаны конкретные значения рассеяния параметров Ду и Ду за время т
420
Чаще всего в качестве диагностического параметра используют температуры характерных тепловых точек или их разности, изменения значений которых преобразуют в конечном итоге либо в сигнал, управляющий положением узла, либо в поправку к программе, управляющей обработкой детали.
Тепловые характеристики оценивают также по температуре характерных тепловых точек, тепловым деформациям, тепловым полям, тепловым картинам, изотермам.
Электрические и магнитные характеристики применяют для диагностирования приводов, усилителей, электрических систем, систем управления. В качестве диагностических параметров используют силу тока, электрическое сопротивление, электрическую проводимость, напряжение, магнитный момент, магнитодвижущую силу, магнитный поток.
Ниже в качестве примеров перечислены параметры, применяемые для оценки качества и диагностирования соответственно электроприводов и систем управления станков с ЧПУ.
В электроприводах контролируют, например, соответствие направления вращения полярности задающего напряжения, отсутствие повреждений щеточных узлов и клеммника, сопротивление изоляции обмоток двигателей (обмотки якоря относительно корпуса и обмотки возбуждения, обмотки возбуждения относительно корпуса), сопротивление заземления между заземляющим зажимом и цеховой магистралью, прохождение управляющих сигналов, ток возбуждения, напряжение на якоре, характеристики силовых тиристоров, амплитуду пульсации напряжения тахогенератора, сигналы состояния, срабатывания защит, настройку токоограниче-ния, частоты вращения, время торможения, работу термодатчиков, уровень шума.
В системах ЧПУ проверяют работу устройства ЧПУ по тест-программам: основной тест команд, тест таймера, тест ЭВМ высшего ранга, тест блока управления, тест памяти, тест ввода с пульта управления, тест ввода-вывода на кассетный накопитель на магнитной ленте, тест вывода на блок отображения символьной информации, установку ЦАП, сохранение информации при перезапуске УЧПУ, правильность выхода узлов в фиксированное положение, рассогласование при перемещениях узлов, цепи управления перемещением узлов, значения входных и выходных управляющих сигналов, работу узлов от ручных органов управления, перемещение в заданную координату, соответствие диапазонов и оборотной подачи, прохождение сигналов (например «толчок смазки», «стоп подачи», «стоп шпинделя», «зажать патрон», «разжать патрон», «зажать пиноль», «разжать пиноль») отработку технологической программы, поиск кадра и др.
Магнитные характеристики применяют в основном для диагностирования шпиндельных узлов на магнитных опорах (см. т. 2, гл. 3).
Износ в подвижных соединениях оценивают по величине износа и скорости изнашивания.
Время фиксируют с помощью временных интервалов.
Для испытаний и диагностирования роботов добавляются некоторые диагностические параметры: для оценки геометрических характеристик -зона обслуживания (рабочее пространство), точность конечных положений, точность перемещения по заданной траектории; для кинематических
421
характеристик - ускорение перемещений исполнительных органов и циклограмма работы.
Точность оценки диагностических параметров при диагностировании не должна превышать общепринятую в машиностроении погрешность измерений. Суммарную погрешность измерений определяют следующие погрешности: средств измерений; установки или базирования измеряемой детали или узла; настройки, вызванные воздействием внешних и внутренних факторов (вибраций, тепловыделения, износа и т.д.); обусловленные измерительным усилием (для контактных средств измерений); фиксации и обработки данных результатов измерений, а также субъективные погрешности оператора (при его участии в системе измерений).
Пределы допустимых погрешностей измерений находятся в зависимости от номинального измеряемого размера и целевого назначения измеряемого объекта, определяющего соответствующий квалитет. Максимально допустимую погрешность принимают в пределах 20...35% от суммарного допуска на измеряемый параметр.
Периодичность оценки параметров определяется качеством и стабильностью технологического процесса. Периодичность опроса датчиков обычно задают, руководствуясь накопленным производственным опытом или основываясь на результатах натурных экспериментов. Периодичность опроса может быть как постоянной, так и переменной. В последнем случае периодичность опроса обусловлена планами контроля, которые устанавливаются в соответствии с методами статистического контроля.
Современные измерительные средства, оснащенные компьютерной техникой, позволяют производить опрос с периодичностью до 1 мкс.
13.2.	Методы и средства диагностирования.
Оценка состояния объектов диагностирования
Выбор методов и средств диагностирования станочных систем является одной из задач технологической диагностики. Для диагностирования и оценки состояния этих систем применяют как строенные (штатные), так и внешние средства. Их включают в общую систему управления, контроля и диагностирования процесса изготовления деталей на участке или в цехе. В систему диагностирования входят следующие подсистемы: энергетические, технологические, управления и информационная. Последняя позволяет своевременно вмешиваться в автоматический режим работы ГПС, участка, цеха оператору и ремонтному персоналу. В системе управления диагностики информацию используют для адаптации станка к изменению внешних условий, оптимизации режимов обработки, прогнозирования стойкости инструмента, назначения оптимальных моментов (или периодов) обслуживания и ремонта. Центральное место занимает технологическая подсистема, которая следит за качеством заготовок и состоянием инструмента, ходом технологического процесса и контролирует выпускаемую продукцию.
В состав контрольно-диагностических систем входят датчики механических, электрических, тепловых параметров, уровней жидкостей, излучений (см. т. 2, п. 9.5); аппаратура для преобразования полученных сигналов, их нормирования, контроля физических и химический свойств; средства
422
логической обработки полученной информации для постановки диагноза; средства документирования и наглядной информации персонала о состоянии технологической системы и механизмов станка и о необходимом воздействии персонала на станочную систему. С помощью датчиков при этом оценивается также уровень подготовки производства, состояние транспортно-загрузочных и контрольных систем.
Наибольшее число параметров, а следовательно, и датчиков, используют при применении методов эталонных (нормируемых) модулей или эталонных зависимостей. Наиболее просто реализуется метод счета частиц, а также методы временных моментов и интервалов.
Для реализации тестовых методов часто применяют специальную аппаратуру, тестирование электронных систем управления предусматривают при их проектировании. Электромеханические, механические, гидравлические и пневматические системы тестируют с помощью внешних средств или на специальных стендах в ходе профилактического ремонта.
В основу выбора методов, средств, диагностических параметров и алгоритмов положено изучение и систематизация дефектов оборудования, входящего в станочную систему. На отдельных предприятиях (например, на ВАЗе) сбор такой информации автоматизирован и отражается в табуляграммах. Они основаны на классификации дефектов основного оборудования и включают не только данные об обнаруженных дефектах, но и затраты на восстановление работоспособности. Это позволяет выделить не только наиболее часто встречающиеся дефекты, но и такие дефекты, которые обусловливают длительные простои, потери производительности, увеличивают трудоемкость ремонта, В таблицах регистрации отказов указывается код отказа, узла, причины отказа.
Для диагностирования промышленных роботов пригодны различные методы, разработанные для автоматического оборудования. Однако ввиду особых условий испытаний и разнообразных требований к показателям качества, определяемым различными условиями применения, эти методы требуют дополнения и более подробного рассмотрения. Особенно это относится к диагностированию промышленных роботов (ПР) по данным испытаний на точность позиционирования и отработки траектории.
Для каждого объекта выделяют наиболее часто встречающиеся дефекты и учитывают трудоемкость их устранения в случае несвоевременного обнаружения. При этом учитывают требования к объекту диагностирования, их целевое назначение. Например, для ПР, РТК (робототехнических комплексов) учитывают в первую очередь точностные, кинематические и динамические параметры. В ряде случаев не меньшее значение приобретают тепловые параметры (РТК литейного производства). Важное значение имеют показатели надежности, ресурсосбережения, экологические показатели. При разработке технологии диагностирования выделяют основную группу параметров и датчиков, для всех этапов жизненного цикла: проверки паспортных данных и сертификации, проверки условий техники безопасности и оповещения персонала о возможности аварии, технологических испытаний и контроля технологических процессов, диагностирования до начала эксплуатации, в процессе работы, при выполнении профилактических и ремонтных работ. Так, для РТК наиболее часто используют датчики перемещений, скоростей и ускорений и приборы для измерения электрических параметров, в гидро- и пневмосистемах применяют датчики
423
давления (обычно со встроенными усилителями для уменьшения влияния цеховых помех).
Средства обработки информации. Системы сбора и обработки информации рассчитаны на унифицированный уровень выходных напряжений или силы тока, что легко достигается при применении современных датчиков скоростей, ускорений, сил давлений в гидравлических и пневматических системах.
В станках и ПР с ЧПУ используют встроенные датчики перемещений и скоростей (см. т. 2, п. 9.5). При применении датчиков перемещений и скорости с высокой дискретностью сигналов можно определять скорости и ускорения путем дифференцирования.
За последние годы в информационно-диагностических системах используют персональные компьютеры, что облегчает компоновку изделий из стандартных узлов и разработку математического обеспечения.
Таким же образом по модульному принципу строится виброакустиче-ская аппаратура. Она должна давать возможность исследовать быстрые нестационарные процессы (с кинематическим и внешним возбуждением колебаний), возникающие при обработке резанием, работе приводов, коробок скоростей, двигателей (рис. 13.4).
Редукторы	Узлы
Зубчатые передачи	
Шпиндельные узлы	
Подшипники	
Тормозные устройства	
Приводы	
Коробки скоростей	
Виброакустическая диагностика систем и узлов технологического оборудования
| Измерение |
виброперемещений, виброскоростей, виброускорений
Уровня звукового давления
Технологическая
Несущая

Характер измеряемых процессов
При Внешнем параметрическом возбуждении
Стационарные
Быстрые нестационарные
С линейной частотой модуляции
При кинематическом Возбуждении колебаний
Преобразование полученной информации, в том числе с использованием данных о переходных режимах разгона и торможения
| Диагноз
Рис. 13.4. Области применения виброакустической диагностики в технологическом оборудовании
424
Алгоритмы обработки информации. При кинематическом возбуждении колебаний с линейной частотой модуляции удобно использовать переходные режимы разгона и торможения, что позволяет осуществить разделение и подавление помех. Ввиду высокой зашумленности виброакустиче-ских сигналов последнее обстоятельство имеет важное значение. При использовании метода эталонных модулей (наиболее часто применяемый метод) при диагностировании сигнал от датчика сравнивается с установкой, определяющей допуск на диагностический параметр. При использовании нескольких датчиков осуществляется контроль полученной информации и постановка диагноза путем логического анализа, заложенного в программном обеспечении.
Фильтрация сигналов позволяет выделить их наиболее информативную часть и снизить допуск на параметр, но при этом теряется часть ценной диагностической информации, поэтому важное значение имеет выбор помехоустойчивых датчиков и мест их установки. Не меньшее значение для постановки диагноза имеет точность определения допусков на параметры и характеристики и возможность их корректировки (рис. 13.5). Для получения эталонных величин используют натурный эксперимент на стендах, эксплуатационные исследования машин-аналогов, математическое моделирование. При этом изучают также признаки неисправностей и определяют чувствительность параметров и датчиков к дефектам.
Рис. 13.5. Последовательность разработки диагностического обеспечения
425
Управление состоянием станочной системы по результатам диагностирования.
Структурная схема, показывающая применение диагностической информации при эксплуатации машины, приведена на рис. 13.6. Генератор стимулирующих сигналов может отсутствовать, если не применяют тестовые системы диагностирования или используют возмущения, возникающие при работе машины. В развитой системе управления полученная информация сравнивается с базой данных и используется для выдачи оперативной информации наладчику или ремонтному персоналу по устранению дефектов, прогнозирования и автоматического адаптивного управления машиной.
Рис. 13.6. Структурная схема системы диагностирования станка с ЧПУ
Возможность такого управления состоянием станочной системы зависит от всей контрольно-диагностической системы. При контроле заготовки с помощью контрольно-измерительных машин (КИМ) важное значение имеет адаптация оснастки к профилю измеряемой поверхности (рис. 13.7). Полнота диагноза зависит от одновременного или последовательного измерения не только точностных параметров, но и твердости поверхностного слоя и жесткости заготовки. Возможность адаптации системы измерения к форме заготовки зависит от конструкции датчиков малых перемещений, оснастки и программно-математического обеспечения. Важное значение имеет выбор уровня автоматизации измерений и постановки диагноза. Возможность визуального анализа информации на дисплее (например, анализ осциллограмм) позволяет использовать дополнительную информацию, теряемую при автоматизированной обработке. Во вредных и опасных
426
Рис. 13.7. Схема функциональных возможностей контрольно-измерительных машин в составе ГПС
условиях применяют полностью автоматизированное управление станочной системой, измерение диагностических параметров производят с помощью ПР и других устройств для изменения ориентации и транспортирования деталей, инструментов, датчиков и отходов производства (например, проб масла, охлаждающей жидкости, стружки). При этом важное значение приобретает компенсация погрешностей измерительной системы. Для автоматической компенсации погрешностей используют аппроксимирующие функции (сплайны алгебраических полиномов, тригонометрические функции и др.), учитывающие геометрические и температурные факторы.
13.3.	Диагностирование станочных систем
В связи с применением широкорегулируемых приводов и увеличением скоростей и сил резания диагностирование приводов приобретает все большее значение. Выбор ряда диагностических параметров зависит от типа привода, но основную информацию получают при измерении параметров на выходных звеньях механизмов (табл. 13.1). Измерение параметров на выходных звеньях возможно как в стендовых, так и в производственных и эксплуатационных условиях. Поэтому основанные на регистрации этих параметров кинематические и динамические методы нашли широкое применение. При проверке точности также измеряют перемещения выходных звеньев (рабочих органов). Законы движения в случае необходимости проверяют дополнительно и на входных звеньях (валах электро-или гидро двигателей, штоках пневмо- и гидроцилиндров).
У электродвигателей постоянного тока основным параметром является сила тока, дополнительным - характер изменения скорости или частоты вращения. У гидро- и пневмодвигателей проводят измерение наиболее информативных силовых параметров (с помощью датчиков давления, встроенных в гидро- или пневмосистему); дополнительно измеряют скорость и расход рабочего тела. На выходных звеньях в обоих случаях измеряют перемещение, скорость и ускорение.
427
13.1. Параметры и характеристики, определяемые при испытаниях многоцелевых станков и РТК
Параметры и характеристики	Измеряемые величины	Привод		
		электрический	гидравлический	пневматический
Быстродействие	Временные интервалы	+	+	+
Быстроходность	Время и путь	+	+	+
	Скорость	+	—	—
Погрешности позиционирования, погрешности отработки траектории	Малые перемещения	+	+	+
Зона обслуживания	Перемещения	+	+	+
Величины ходов исполнительного органа		+	+	+
Воспроизводимость заданного закона движения	Скорость	+	+	+
Усилие захватывания	Сила,	+	+	+
	давление	—	+	+
Динамические нагрузки на детали и	Ускорение,	+	+	+
привод	давление рабочего тела	—	+	+
Мощность, потребляемая двигате-	Мощность,	+	—	—
лями	сила тока и напряжение;	+	—	—
	расход и давление	—	+	+
Шум	Уровень шума	+	+	+
Вибрационные характеристики	Параметры вибраций	+	+	+
Податливость исполнительных органов и опорных систем АФЧХ	Усилия и малые перемещения	+	+	+
Температурные поля и деформации	Температура и малые перемещения	+	+	+
Расход сжатого воздуха и рабочей жидкости Характеристики надежности, дли-	Расход, уровень Временные интервалы	—	+	+
тельность перепрограммирования и переналадки		+	+	+
Примечание:* - определяемые параметры;--------неиспользуемые параметры.
Узлы и механизмы станка. Основное внимание уделяется диагностированию технологической системы, в частности, шпиндельному узлу, от работы которого во многом зависит точность обработки. Диагностируют геометрические параметры узлов станка, изменение тепловых деформаций, интенсивность источников теплоты и уровень шума, вибрационноакустические параметры, величина которых связана с работой подшипников и дисбалансом, функционированием системы смазки; проверяют деформации шпинделя и формы колебаний деталей технологической системы путем снятия амплитудно-фазовой частотной характеристики (АФЧХ).
Применяют также методы диагностирования, основанные на измерении параметров обработанной детали. При диагностировании приводов подачи требуется контроль равномерности движения суппорта и точности его пространственного положения.
Инструментальные системы. Диагностирование технологических систем представляет наибольшие трудности ввиду сложности явлений, сопровождающих процесс резания, и большого числа факторов, влияющих на стабильность этого процесса. Здесь используют все те методы, что и при диагностировании отдельных узлов. Дополнительно подробно исследуют сам процесс резания и качество выпускаемой продукции. Значитель
428
ную роль играет контроль режущего инструмента (рис. 13.8), осуществляемый внешними и встроенными средствами.
Все большее применение получает метод акустической эмиссии (АЭ). Он особенно эффективен на этапе подготовки производства, так как позволяет значительно ускорить и удешевить этот ответственный этап жизненного цикла инструмента.
На станке в процессе обработки преобладает контроль геометрических параметров, реализуемый контактными головками, бесконтактными датчиками и оптическими системами. У многоцелевых станков при обработке сложных корпусных деталей диагностирование включает измерение деталей на координатно-измерительных машинах.
Рис. 13.8. Схема контроля и исследования явлений, сопровождающих процесс резания
Транспортные системы. Здесь наиболее часто применяют методы временных интервалов и кинематические методы, так как для них характерны низкочастотные процессы, которые могут контролироваться этими методами. Однако при диагностировании привода транспортных систем применяют динамические и виброакустические методы получения исходной информации.
Системы управления. Диагностирование электронных систем управления непрерывно совершенствуется в связи с изменением элементной базы электронных схем. Системы диагностирования часто соединяют с системами управления. Широко применяют тестовые методы диагностики, как на самой машине, так и на специальных стендах для испытания узлов.
Слабо разработанным остается вопрос управления качеством программных средств, что актуально и для самих диагностических систем. Наряду с организационно-экономическими вопросами важное значение имеет диагностическая проверка программных средств.
13.4.	Контроль и диагностирование гибких станочных систем
После предварительного выбора диагностических параметров, датчиков и аппаратуры для отдельных систем станков важное значение имеет подготовка испытаний. Она начинается с испытания отдельных объектов (станки, РТК, транспортные, загрузочные, контрольные системы, системы
429
управления). На заводе-изготовителе отбирают для подробного исследования на стендах объекты, удовлетворяющие всем техническим условиям. При контроле в процессе сертификации станков и РТК отрабатывают ква-лиметрические методы оценки качества, уточняют сетку эксперимента и типы датчиков, применяемых при испытании отдельных механизмов; активно используют математическое моделирование, в том числе для разработки методов прогнозирования технического состояния.
Для конкретного объекта полезно иметь справочные данные о возможных комбинациях необходимых датчиков в связи с особенностями типа применяемого привода и специфическими требованиями, предъявляемыми к отдельным узлам машины. Для станочных систем основными причинами, влияющими на простои и нарушение хода технологического процесса, являются дефекты электроснабжения, системы управления, привода, передаточных механизмов двигательной системы, основных рабочих органов. Для многих технологических машин и ПР большое значение имеет конструкция и состояние зажимных устройств. Приведенные шифры причин дефектов использованы в табл. 13.2.
Ниже приведены причины наиболее часто встречающихся дефектов, выявленные в процессе эксплуатации станочных систем и при стендовых испытаниях новых моделей станков и ПР.
1.	Отсутствие энергопитания: отсутствие напряжения в сети, прекращение подачи сжатого воздуха; поломка деталей гидронасоса, обрыв трубопровода.
2.	Дефекты энергопитания: колебания напряжения в электрической сети; понижение давления в пневмосети; дефекты гидронасоса.
3.	Отказы системы управления (СУ), нарушающие функционирование оборудования: обрывы электрических цепей, короткие замыкания, выгорание деталей, нарушение контактов; сбои системы управления; перегрев системы, вызывающий ее отключение.
4.	Дефекты СУ (параметрические отказы): дефекты регулировки усилителей; неисправности датчиков положения обратных связей; смещения нулей датчиков положений; перегрев деталей; запаздывание подачи сигналов; ослабление крепления деталей.
5.	Дефекты математического обеспечения: неправильный учет оптимальных условий функционирования; ошибки программирования; повреждение носителей информации.
6.	Дефекты, возникающие под влиянием окружающей среды: тепловые деформации (в том числе от внутренних источников тепла); дефекты установки на фундамент, ослабление крепления.
7.	Дефекты двигательной системы: непостоянство демпфирующих свойств; уменьшение или непостоянство жесткости; увеличенные зазоры; изношенность или повреждение рабочих поверхностей подшипников, зубчатых и винтовых передач, ременных передач, ослабление крепления.
8.	Дефекты электропривода: повреждение обмоток, коллектора, щеток; дефекты регулирования; нагрев; недостаточная мощность; дефекты балансирования ротора; ослабление крепления деталей.
9.	Дефекты пневмо- и гидропривода: обрывы, разгерметизация трубопроводов; изношенность, повреждение, старение манжет и уплотнений, перетечки, утечки; дефекты настройки и регулирования; изменения уровня вязкости, рабочей жидкости, наличие воздуха в ней, засорение пневмо- и
430
гидроаппаратуры; дефекты балансирования роторов двигателей; ослабление крепления деталей.
10.	Дефекты основных рабочих органов: непостоянство демпфирующих свойств; непостоянство или уменьшение жесткости, ослабление крепления; изношенность и заклинивание направляющих, подшипников; увеличение сил трения из-за неправильной работы системы смазки.
11.	Дефекты зажимных устройств: уменьшение силы зажима; несимметричное распределение силы зажима; загрязнение или деформирование рабочих поверхностей; разрегулирование, ослабление крепления; заклинивание направляющих; изменение эластичности и упругих свойств деталей зажимного устройства.
Для выявления этих дефектов применяют следующие методы:
Метод идентификации геометрических параметров.
1. Метод временных интервалов: 2а - с помощью измерения электрических параметров и таймера; 26 - по кинематическим зависимостям (от времени), 2в - по силовым зависимостям (от времени), 2г - комбинированные.
2. Метод «эталонных» (нормированных) модулей параметров и их статистических характеристик: За - перемещений: ходов; деформаций, повторяемости позиционирования, погрешности позиционирования, логарифмический декремент затухания колебаний; 36 - скорости: максимальной, установившейся, неравномерности, средней; Зв - ускорений: максимальных, средних; Зг- усилий, моментов: максимальных, установившихся значений; Зд - давлений: максимальных, установившихся; Зе - расходов, утечек рабочего тела: наличие средней величины, максимальной величины; Зж - электрических параметров: тока, напряжения, активного и реактивного сопротивлений; Зз - мощности: максимальной, средней; Зи - температуры: максимальной, средней; Зк - КПД; Зл - числа импульсов, циклов; Зм - виброперемещений, виброскорости, виброускорений; Зн - характеристик электропривода: коэффициента жесткости механической характеристики, коэффициента демпфирования замкнутого скоростного контура; Зс- комплексных показателей манипулятора.
4.	Метод типовых зависимостей и полей: 4а - скорости от времени (законы движения); 46 - средней скорости от длины хода, от нагрузки, допустимого уровня колебаний; 4в - усилий (моментов ускорений) от времени, от перемещений; 4г - давлений от времени, от расхода рабочего тела; 4д - температуры от времени; 4е - тепловых полей; 4ж - АФЧХ; 4з - АЧХ, ЛАЧХ; 4и - крутящего момента от скорости; 4к - перемещений выходного звена от угла поворота входного звена; 4л - неравномерности движения: от скорости, от нагрузки.
5.	Сравнения совокупности зависимостей параметров от времени (развитие метода № 4): 5а - различных реализаций одного параметра; 56 - одновременно исследуемых зависимостей различных параметров.
6.	Спектральные, корреляционные и спектрально-корреляционные методы.
7.	Тестовые методы: 7а - активации одномерного и многомерного пути; 76 - булево-дифференцированный метод; 7в - сигнатурный анализ; 7г -последовательное измерение и анализ аналоговых величин; 7д - комбинированные методы.
431
8.	Органолептические методы (в отдельных случаях с использованием простейших приборов): 8а - внешний осмотр, проверка правильности функционирования, выполнения технологического процесса; 86 - проверка надежности крепления узлов и деталей, зазоров, степени нагрева привода, утечек; 8в - контроль уровня и источников шума; 8г - обнаружение дефектов электрических цепей, аппаратуры и привода по запаху.
9.	Комплексные методы диагностирования.
13.2. Карта дефектов ПР
Виды дефектов	Основные причины дефектов	Шифры часто применяемых методов диагностирования
1. Нарушение паспортных характеристик:	2,4, 5, 6, 7, 8	За, 36, Зв, 4а, 4л
погрешности повторяемости позиций	8,9, Ю	Зд, Зе, Зн
погрешности позиционирования	2, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10	За, 36, Зв, Зе, Зи, Зк, Зл, Зн
погрешности воспроизведения отрезков прямолинейной траектории	4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	За, Зи, Зк, Зл
погрешности отработки прямоугольных траекторий	3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	За, Зи, Зл, 4к
погрешности отработки сложных траекторий	2, 3,4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	За, 36, Зз, Зи, 3л,3н, 4к
погрешности повторяемости траекторий	2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	За, Зз, Зл, Зм, Зн, 4д, 4е, 4з, 4к, 4л
2. Нарушение заданного цикла (временных интервалов):	2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10	1, 2а, 26, 2в, 2г, За, 36, Зл
из-за изменений траекторий;	8, 9, 10	Зз, Зл, Зн, 4г
из-за изменения длины хода на отдельных участках циклограммы;	3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	1,2а, 26, За, Зл
из-за изменения скорости;	2, 4, 5, 6, 7, 8, 9,10	Зг, Зд, Зе, Зж, Зз, Зк, Зл, 4а, 46, 9
из-за увеличения длительности простоев между отдельными движениями	3,4, 5, 7, 8, 9, 10	2а, 26,2в, 2г, Зд, Зж, Зл, 9
3. Нарушение заданного закона движения:	2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10	За, 36, Зг, Зд, Зж, 4а, 46, 4в, 4г, 4д, 9
при разгоне;	2, 4, 5, 7, 8, 9	Зз, 5а, 56, 9
равномерности движения;	2, 4, 5, 7, 9,10	Зг, Зд, Зз, 4а, 46, 4в, 4г, 4д, 5а, 56, 9
при торможении;	4, 5, 7, 9, 10	Зв, Зг, Зд, Зз, 4а, 46, 4в, 4г, 4д, 5 а, 56,9
при выстое	5, 6, 7, 8, 9, 10	За, Зд, Зм, 4а, 46, 4в, 4г, 4д, 5 а, 56, 9
4. Повышенный уровень вибраций	2, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13	За, Зв, Зг, Зд, Зм, 4ж, 4з, 6
5. Выпадение детали из захвата	1,11	3г,3д, Зж, Зз
6. Вырывание детали из схвата при движении	2, 5, 9,11	Зв, Зг, Зд, Зж, Зз
7. Внецентренная установка и зажим заготовки в схвате	11, 12	За, 8а
8. Потеря точности установки детали при замене схвата	11, 13	За, 8а
9. Отсутствие движений при включении ПР:	1,2,3	За, 36, Зж, Зл
у двигателя	1,2,3	За, 36, Зж, Зл
у выходного звена привода	1,2, 3, 8,9	За, 36, Зд
у руки манипулятора	1,2, 3,7, 8,9	За
у схвата	1,2, 3, 8, 9,11	За
432
Приведенные выше классификации и шифры причин дефектов и методов диагностирования, необходимых для обнаружения дефектов, позволяют построить карту дефектов. Для ПР такая карта приведена в табл. 13.2. Здесь более подробно дифференцированы виды дефектов с указанием их причин и приведены рекомендации по применению методов диагностирования. На основании этих данных можно выделить наиболее часто применяемые методы.
Сравнение этих данных и опыта применения различных методов в промышленности показывает, что наиболее часто благодаря своей доступности и информативности применяются методы 2, 3, 4, 5, 8. Органолептические методы еще не скоро потеряют свою актуальность, и в настоящее время они существенно дополняют развитые приборные методы диагностирования, особенно в производственных условиях.
Тестовые методы быстро развиваются, особенно в связи с широким применением микропроцессоров и возможностями создания встроенных малогабаритных систем диагностирования, систем управления и привода.
Спектральные и спектрально-корреляционные методы наиболее часто применяют в виброакустической диагностике, и область их применения будет расширяться по мере упрощения и удешевления аппаратуры в связи с развитием микроэлектроники. В большинстве случаев применяются комплексные методы диагностирования, включающие несколько из перечисленных методов и использующие достоинства каждого их них для повышения достоверности и глубины диагностирования.
Для автоматизации диагностирования наиболее подготовлены методы 2, 3, 4 и 7.
В процессе эксплуатации ГПС используют возможности многоуровневой системы управления и информационно-диагностическую систему цеха. Здесь систему диагностирования применяют и для контроля качества наладки и ремонта оборудования.
Для каждого вида оборудования после выбора методов диагностирования определяют диагностические параметры и выбирают аппаратуру для их измерения (табл. 13.3). При этом в максимально возможной степени используют датчики обратной связи системы управления многоцелевого станка. При диагностировании оборудования без системы ЧПУ, не снабженной датчиками обратной связи и встроенной диагностической системой, используют ручные методы диагностирования.
При этом временно устанавливают датчики для определения точностных, кинематических, силовых параметров и применяют дистанционно работающие измерительные приборы (лазерные интерферометры, тепловизоры). Измерения периодически выполняют диагностические подразделения ремонтных служб и осуществляют ремонт и регулировку оборудования по фактической потребности.
К организации работ по диагностированию станочных систем целесообразно применять системный подход, обеспечивая обмен информацией между диагностическими подразделениями конструкторских бюро, станкостроительных заводов и ремонтными службами заводов, эксплуатирующих это оборудование.
433
13.3. Основные измеряемые параметры и датчики для испытания и диагностирования многоцелевых станков
Измеряемые параметры и характеристики	Аппаратура
Геометрические параметры Точность базирования, распределение припусков, определение точки переключения на рабочую подачу, размеры обработанной детали, межосевое расстояние, размерный износ инструмента, геометрия инструмента Точность позиционирования на различных участках и при различном направлении движения, биение шпинделя	Трехкоординатные датчики касания, датчики перемещения узлов станка Индуктивные, емкостные или тензометрические датчики со встроенными усилителями, лазерные интерферометры
Кинематические параметры Временные интервалы и моменты Равномерность подачи Скорости при разгоне и торможении Ускорения при разгоне и торможении	Сигналы от системы управления Лазерные интерферометры Тахогенераторы, встроенные датчики перемещений Акселерометры со встроенными усилителями
Динамические параметры Сила резания (износ инструмента, контроль припусков, твердости заготовок) Крутящий момент (биение ходовых винтов); состояние шариков, направляющих Изменение нагрузки на передний подшипник за один оборот Сила зажима детали	Тензометрические державки со встроенными микроусилителями, тензодатчики на наружном кольце подшипника шпинделя, сила тока в обмотках электродвигателя шпинделя Датчики крутящего момента со встроенным усилителем на ходовом винте Тензодатчики на наружном кольце подшипника шпинделя, микроусилитель, встроенный в станок Тензодатчики на элементах механизма зажима, встроенные усилители
Виброакустические параметры Уровень звукового давления Уровень вибраций, вибрационные характеристики Уровень или частота колебаний в заданной узкой полосе	Микрофоны со встроенными усилителями Пьезоакселерометры, специальная переносная аппаратура Аппаратура, встроенная в станок, для контроля состояния инструмента
Мощность Запись мощности или силы тока и напряжения в обмотках электродвигателя для диагностирования привода	Универсальная аппаратура для измерения электрических параметров, самопишущие ваттметры
Тепловые параметры Температура, перепады температуры, температурные поля	Термопары, терморезисторы в шкафах СУ, в коробке скоростей, у шпинделя, электродвигателей, в гидросистемах, тепловизоры
Уровни Измерение уровней жидкостей (смазочного материала, СОЖ)	Электрические или электромеханические датчики уровней
Электрические сигналы Тестовая проверка наличия электрических сигналов управления и их последовательности	Аппаратура стойки СУ, дисплей, программируемые контроллеры
434
13.5. Комплексная система контроля качества и надежности станков с ЧПУ в условиях автоматизированного завода
Оценка качества и надежности станков должна быть достоверной и высокопроизводительной. Для автоматизированных станкостроительных производств проблема автоматизации оценки качества и надежности станков состоит в следующем:
внедрение экономически выгодной малолюдной технологии необходимо на этапах проведения исследований и испытаний, аттестации и сертификации станков так же, как и на всех других этапах производства металлообрабатывающего оборудования;
требуется повышение достоверности измерений и фиксирования результатов, а также получение результатов в виде твердых копий, что невозможно без активного применения вычислительной техники;
необходимо повышение производительности труда при исследованиях, испытаниях, аттестации и сертификации станков, что достигается, в первую очередь, обработкой результатов в реальном масштабе времени и отсутствием временного сдвига между сбором результатов измерений и их отображением, а также совмещением проверок во времени, применением программного нагружения.
Для автоматизированного завода (АЗ) в качестве системы контроля целесообразно применять гибкую производственную систему, обеспечивающую автоматизированную оценку качества и надежности всех выпускаемых моделей станков, а также их комплектующих, базовых деталей, узлов и систем.
Концепция создания системы автоматизированной оценки качества и надежности станков базируется на следующих основных положениях:
система является частью интегрированной системы управления АЗ и реализует принципы малолюдной технологии;
степень автоматизации системы должна соответствовать степени автоматизации основного производства АЗ;
система должна обеспечивать сертификацию выпускаемой продукции в соответствии с требованиями стандартов серии ISO 9000;
система базируется на применении методов статистического контроля и неразрывно связана с системой управления качеством механического и сборочного производства;
состав системы, степень автоматизации, точность средств измерений и периодичность контроля определяются средствами, выделяемыми заказчиком на проектирование, изготовление и функционирование системы; техническим уровнем основного производства; перечнем характеристик и параметров контролируемых станков и их узлов;
все измерительные комплексы, стенды и установки, входящие в систему, должны иметь материальное, программно-методическое, информационное и другие виды обеспечения, разработанные в единой концепции;
все вычислительные средства, входящие в систему автоматизированной оценки качества и надежности станков и в систему управления качеством, должны быть программно совместимы между собой и с вычислительными средствами как основного производства, так и интегрированной системы управления основным производством.
435
Система автоматизированной оценки качества и надежности станков состоит из двух основных подсистем, которые условно названы «Комплект» и «Станок» (рис. 13.9). Подсистема «Комплект» осуществляет контроль качества узлов и систем станков, их базовых и комплектующих деталей. Подсистема «Станок» оценивает качество и надежность всех выпускаемых станков.
Подсистема. "Станок
Каналы информации к основному производству для управления качествах
Стенды входного контроля
Контроль базовых деталей
Подсистема ''Комплект"
ШШМ111Н MIIIIIIIIIII
обкатки и контроля
Стенды тест-прогона
Специальная шумовая камера
1 Стенды приема-J сдаточных испытаний_________
Стационарные испытательно-диагностические комплексы
переносные и . передвижные Й ^измерительные Ш I «W

Центральная ЭВМ
СеряшршшА качества [
mi mu in I
Информация от потребителей о качестве и надежности выпускаемых станков
Рис. 13.9. Гибкая производственная система автоматизированной оценки качества и надежности станков в условиях автоматизированного производства
Входной контроль комплектующих изделий и деталей, получаемых в готовом виде заводом-изготовителем, осуществляют в основном на специальных стендах. Контролю и обкатке подвергают системы управления, комплектные приводы, готовые узлы, электрошкафы, транспортные и складские системы, манипуляторы и роботы, а также комплектующие детали типа подшипников, уплотнений, элементов гидро-, пневмо-и электросистемы и др.
Стенды располагают перед складом комплектующих изделий, на который не должны попадать изделия, не соответствующие техническим требованиям. Информация о качестве комплектующих после ее обработки на ЭВМ передается на сборку узлов и станков, а также через систему управления качеством заводам-поставщикам комплектующих.
При высоком качестве комплектующих входной контроль осуществляет только функцию ранжирования комплектующих по показателям качества с тем, чтобы на сборку более точных станков поступали изделия более высокого качества.
436
Контроль базовых деталей, производимых непосредственно на заводе-изготовителе станков, необходим для оценки стабильности технологических процессов. К таким деталям, как правило, относятся станины, корпусные детали, каретки, столы, шпиндели, пиноли, ходовые винты, гайки, рейки и др. Наибольшую гибкость здесь обеспечивает сочетание различных стендов контроля основных размеров и универсальных контрольно-измерительных машин (КИМ) с ЧПУ (например, фирмы Opton, ФРГ), на которых осуществляют выборочный контроль деталей по всем регламентированным показателям точности. Во всех случаях план контроля определяется результатами функционирования системы управления качеством.
Стенды контроля располагают рядом со станками, входящими в производственный участок (они одновременно выполняют функции накопителей), а КИМ - в конце участка. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что например, участок для обработки корпусных деталей, в состав которого входят шесть- восемь многоцелевых фрезерно-расточных станков, должен быть оснащен двумя контрольными стендами и одной КИМ.
Информация о качестве изготовленных деталей поступает к операторам станков, на сборку и через центральную ЭВМ в систему управления качеством основного производства. При необходимости сведения о регламентированных параметрах качества базовых деталей распечатывают в виде твердых копий и прикладывают к деталям.
Контроль узлов, собранных на заводе-изготовителе станков, осуществляется на специальных стендах контроля и обкатки узлов. К таким узлам относятся шпиндельные бабки, столы, резцедержатели, суппорты, задние бабки, инструментальные магазины и некоторые другие. На этих специальных стендах производят необходимую обкатку собранных узлов и контроль их параметров точности, жесткости, виброустойчивости, а также тепловых, силовых, электрических и других характеристик.
Информация о показателях качества и надежности после предварительной обработки на управляющих стендами ЭВМ передается на сборку станков и в систему управления качеством основного производства. При необходимости к узлу прикладывают сертификат качества.
Оценка качества и надежности станков при приемосдаточных испытаниях. После сборки (шеф-монтажа) станки подвергают приемосдаточным испытаниям и технологическому прогону (тест-прогону) (рис. 13.10). Участок сборки оснащен необходимыми средствами контроля правильности выполнения технологических операций сборки. На стадии приемосдаточных испытаний осуществляют комплекс проверок: измеряют параметры точности траекторий движения опорных точек (см. рис. 13.1, т. 1, гл. 6 и т. 2, гл. 3) формообразующих узлов, точность их взаимного расположения, кинематические и силовые параметры узлов, энергетические, электрические, виброакустические, тепловые и другие характеристики, временные интервалы.
Анализ проверок, проводимых при приемосдаточных испытаниях, показывает, что, во-первых, существует группа периодических проверок, которым подвергают малое количество (от 2 до 10%) станков. Эти периодические проверки, как правило, сложны и требуют применения специальной аппаратуры, больших затрат времени и высокой квалификации персонала. Во-вторых, существует три объективных уровня дефектности (в силу су-
437
Сборка
Собранный станок
Рис. 13.10. План ГПС автоматизированной оценки качества и надежности станков
ществующей технологии, особенностей конструкции станков, сложившегося рынка комплектующих и др.); 0...3% - нулевой, 5...20% - низкий и 40% и выше - высокий; для нулевого и низкого уровней дефектности в соответствии с методами статистического контроля проверки можно проводить выборочно. Перечисленные обстоятельства приводят к целесообразности при приемосдаточных испытаниях отделения от общего потока собранных станков отдельного участка полуавтоматического контроля (см. рис. 13.10), на котором проводят выборочные проверки и проверки с нулевым и частично с низким уровнем дефектности.
Испытания в основном потоке проводят по жесткой программе.
Стенды приемосдаточных испытаний оснащены комплектами ручных измерительных средств, комплектами переносной измерительной аппаратуры для проверки электрических характеристик и стационарным измерительным оборудованием. Применение ручных измерительных средств оправдано неизбежным применением ручного труда, при устранении дефектов сборки, выявленных при приемосдаточных испытаниях. Комплект ручных средств состоит из специальных справок, измерительных приспособлений, микаторов, уровней и др.
Каждый стенд основного потока оснащен пультом для ввода информации о результатах измерений регламентированных параметров и характеристиках испытываемого станка. Введенная информация поступает по локальной информационной сети в ЭВМ верхнего уровня, где производятся систематизация результатов испытаний, их графическая и статистическая обработка, оценка точности и параметрической надежности по регламентированным показателям и некоторые другие операции.
Стенды, выделенные в участок полуавтоматического контроля, представляют собой испытательно-диагностические комплексы и оснащены лазерными интерферометрами, оптическими линейками, специальными оправками, бесконтактными и другими датчиками, а также программными нагрузочными устройствами, интерфейсами, аналого-цифровыми преобразователями, ЭВМ нижнего уровня, которые помехозащищенными информационными сетями соединены с ЭВМ верхнего уровня, управляющей всеми стендами участка. На участке целесообразно иметь три-шесть стендов.
438
Помимо перечисленных измерительных средств для осуществления приемосдаточных испытаний целесообразно пользоваться переносными и передвижными испытательно-диагностическими установками для автоматизированной оценки частотных характеристик станков и их узлов; геометрической и кинематической точности, жесткости, динамических, тепловых и силовых характеристик, помехозащищенности, шума и др. Исследование отдельных характеристик с помощью таких установок позволяет оперативно выявить погрешности изготовления и сборки станков, анализировать и вырабатывать решения с целью устранения обнаруженных недостатков. В такие установки обычно не входит ЭВМ. Информация об измеряемых характеристиках записывается на машинных носителях для последующей обработки на ЭВМ. Установки позволяют отображать результаты измерений в виде твердых копий.
В состав измерительных средств входит также специальная шумовая камера, предназначенная для оценки шума станков (комплект микрофонов, шумомер, октавные фильтры, некоторые другие приборы, а также ЭВМ). В памяти ЭВМ содержится, в том числе информация о расположении микрофонов при измерении шума станков различных моделей; поправки, учитывающие влияние отраженного звука; значения регламентированных уровней шума. С помощью этой информации обрабатывают результаты шумовых измерений, получая, например, корректированный уровень звуковой мощности в виде распечатки.
Контроль станков при технологическом прогоне (тест-прогоне) осуществляется на отдельном участке (см. рис. 13.10) в автоматическом режиме. Цель прогона - проверка надежности функционирования систем и узлов станка по программе. Продолжительность тест-прогона регламентирована и обычно составляет от 8 до 24 ч. Тест-прогон станков начинается по мере их поступления с приемосдаточных испытаний и подключения к командоконтроллеру стенда.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1.	Зелик В.П., Максимов М.А. Диагностика и прогнозирование технического состояния ГП-модулей// Известия ВУЗов. Электромеханика. - 1986. № 8, с. 65-68.
2.	Координатные измерительные машины и их применение/ А.А. Гапшис, А.Ю. Каспа-райтис, М.Б. Модестов и др. - М.: Машиностроение, 1988. - 328 с.
3.	Лапидус В.А. Управление качеством обработки// Стандарты и качество. - 1987. № 5. -с. 8-13
4.	Нахапетян Е.Г. Контроль и диагностирование автоматического оборудования. - М.; Наука, 1990. - 272 с.
5.	Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.
6.	Пуш А.В. Шпиндельные узлы. Качество и надежность. - М.: Машиностроение, 1992. -288 с.
7.	Пуш А.В., Ежков А.В., Иванников С.Н. Испытательно-диагностический комплекс для оценки качества и надежности станков // Станки и инструмент. - 1987. № 9 . -с. 8-12.
8.	Пуш А.В., Юркевич В.В., Мартынов С.В. Автоматизированные нагрузочные устройства//Станки и инструмент. - 1991. № 10. - с. 12-15.
9.	Технические средства диагностирования: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.
10.	Хоффман Д. Техника измерений и обеспечение качества: Справочная книга: Пер. с нем. - под ред. Л.М. Закса, С.С. Кивилиса. - М. Энергоатомиздат, 1983. - 472 с.
439
Глава 14.
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГИБКИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ
14.1. Основные этапы проектирования и формирование системы автоматизированного проектирования
Предпроектный этап создания автоматизированных систем многономенклатурного производства; проблема автоматизации проектирования
На рис. 14.1 представлена схема задач проектирования станочной системы многономенклатурного производства, центром которой является за-
срункциональное проектирование
Проектирование нововведений б ПС
Комплекс "обратного" проектирования
Комплекс синтеза
НОВЫХ
решений
Комплекс конструкторской проработки.
Комплекс анализа осуществленных проектов
Контур “прямого" проектирования
описание конструкции системы машин |
Предпроектный комплекс : анализ состояния ПС определение целей нововведений формирование плана нововведений
—{^скрйптйВноё ~бт!санйВ 'проекта Комплекс макропроектирования
Анализ номенклатуры
Синтез ПОТО
Проектирование АТСС
Проектирование CUD и СТО
Формирование задания на СОДУ
Моделирование динамики материальных потоков
ЛроёктйроВанйё обеспечивающих подсистем
Расчет ТЭП
Привязка компановки
—| ^пйсанйр 'прдёкттйж ~рёшёнйй |— Комплекс инженерного проектирования: проработка проектных решений выпуск документации
wcawg ~прбёкт^
Рис. 14.1. Системное окружение задачи синтеза подсистемы основного технологического оборудования гибкой производственной системы
440
дача синтеза подсистемы основного технологического оборудования на этапах, соответствующих стадиям разработки «Техническое предложение» (ГОСТ 2.118-73) и «Эскизный проект» (ГОСТ 2.119-73).
Вся система проектных задач может быть разбита на шесть взаимодействующих через информационную базу комплексов, функционально объединяемых в контуры проектирования. Контур прямого проектирования включает предпроектный комплекс (решается задача определения потребности, очередности внедрения нововведений, выбор типа ГПС), комплекс предварительного (макро-) проектирования, комплекс «инженерного» проектирования (доводка принятых решений, изготовление документации). В комплексе обратного проектирования решаются задачи определения масштаба тиражирования типовых решений и разрабатываются правила их выбора. Комплекс синтеза новых решений содержит процедуры поискового проектирования подсистем и устройств ГПС.
Информационная база включает описание подетального состава плана выпуска, вариантов процессов изготовления; сведения о ритмичности изготовления изделий (задание на проектирование); описание текущего состояния производственной системы, в том числе установившихся организационных связей, базу типовых проектных решений, в которых отражены морфологические ограничения на состав; структуру локальных ГПС и их технико-экономические показатели, полученные путем анализа осуществленных проектов или моделирования.
В предпроектном комплексе формируется дискриптивное описание проекта развития производственной системы на предстоящий плановый период, которое содержит перечень нововведений и устанавливает затраты, ресурсы и ожидаемый эффект.
Проектные решения, формируемые в комплексе макропроектирования, определяют состав и связи элементов производственной системы (оборудования, средств оснащения, алгоритмов управления), обеспечивающие выполнение плана выпуска с соблюдением требований к соотношению затрат и эффекта.
Автоматизация с помощью средств вычислительной техники отдельных рутинных операций не приводит к сокращению трудоемкости и затрат на проектирование, поскольку удельный вес этих операций невелик и положительный эффект перекрывается дополнительными затратами на взаимодействие с программами расчета. Поэтому проблема автоматизации проектирования ГПС заключается в переводе на автоматизированный режим выполнения совокупностей взаимосвязанных проектных работ из состава выделенных комплексов. Это предъявляет требования к формальным моделям, положенным в основу проектных решений, и их окружению в составе программно-методического комплекса. САПР ГПС в результате приобретает черты системы поддержки принятия решений.
Способ формального описания (способ формализации - СФ) задач организационно-технологического проектирования оказывает существенное влияние на возможность и достоверность учета различных факторов в модели, состав информационной базы, на структуру представления информации, возможные методы решения и способы взаимодействия проектировщика с программным обеспечением, на структуру прикладного программного обеспечения САПР, т.е. определяет функциональные возможности и организацию вычислительного процесса в автоматизированной системе.
441
В табл. 14.1 представлена классификация моделей отдельных проектных задач из состава рассмотренных выше комплексов.
14.1.	Классификация моделей производственных систем по роли в процессе принятия проектных решений
Вид модели	Назначение	Средство и метод формализации	Примечание
Расчет проектных параметров •	Расчет характеристик, исходя из технической осуществимости и плана выпуска	Аналитические модели на основе детерминированных функциональных связей	Определение потребности в СТО*, основном и вспомогательном оборудовании
Формирование вариантов проектных решений	Формирование допустимых альтернатив для последующего выбора (или доработки)	Модели комбинаторного программирования, автоматической классификации, семиотические модели, формологические модели	Формирование подразделений, подсистем основного оборудования и транспортной подсистемы
Выбор альтернатив	Сужение множества допустимых альтернатив, заданных критериальными оценками	Методы многокритериального выбора	Выбор основного оборудования, транспортных систем варианта проекта в целом
Расчет оценочных характеристик на основе отражения эффектов динамики	Расчет частных показателей, служащих основанием для выбора, в составе моделей направленного перебора для расчета целевой функции	Имитационное моделирование, ТМО, теория линейных стохастических сетей, сети Петри	Определение потерь фонда времени и связанных с ними организационных и экономических показателей
«Морфологическое» и поисковое проектирование	Генерация новых технических решений для отдельных устройств и структурнокомпоновочных - ДЛЯ подсистем	Эвристические методы, морфологические таблицы, и/или дерево	Системы инструменто-обеспечения, транспортная, морфологические ограничения для типовых решений
Вывод проектных решений из эмпирических правил и фактов	Выбор непараметризо-ванных проектных решений из заранее определенного множества. Определение состава комплекса взаимосвязанных объектов, выбор оборудования	Логические исчисления, система правил типа посылка-следствие, корреляционная грамматика	Определение состава средств вычислительной техники, средств технологического оснащения
Оценка альтернативных стратегий развития	Разработка типовых проектных решений и их оценка с учетом динамики тиражирования, оценка вариантов нововведений	Модели на основе теории информации, метод иерархической декомпозиции функций	Оценка целесообразности и способа гибкой автоматизации
Оптимальное проектирование	Формирование и выбор проектных решений при хорошо определенных функциональных связях	Математическое программирование	Расчет параметров устройств
Формирование задания на проектирование	Выбор объектов автоматизации, реконструкци-онный анализ	Автоматическая классификация, методы анализа данных, регрессионного, корреляционного анализа	Выбор объектов производства, области и масштабов автоматизации
Оценка надежности	Оценка показателей надежности	Математическая статистика, теория надежности технических систем	Расчет потерь фонда времени оборудования
442
Продолжение табл. 14.1
Вид модели	Назначение	Средство и метод формализации	Примечание
Прогнозирование параметров	Экстраполяция тенденций развития	Экспертные методы, факторный анализ	Определение перспективных параметров ГПС и продукции
Физические модели	Имитация функционирования, комплексные инструментальные стенды	—	Расчет характеристик, определение потребности в СТО, вспомогательном оборудовании
Комплексы моделей формирования, оценки и выбора решений	Человеко-машинные итеративные процедуры принятия решений при неполно определенных функциональных связях	Методы те же, что и в первых пяти видах модели, функциональностоимостный анализ	Итерационные процессы принятия проектных решений в САПР ГПС
* Здесь и далее не указанные полностью из-за недостатка места сокращения см. в конце главы.
Задачи проектирования допускают возможность различного описания (свойство поливариантности). Поскольку ни один из способов не обеспечивает всех необходимых для принятия решения функциональных возможностей, возникает проблема определения комплекса моделей.
В методиках синтеза подсистемы основного технологического оборудования (ПОТО) целесообразно различать два плана: а) возможности собственно формальной модели осуществлять прямое и косвенное отражение факторов принятия решения; б) гибкость и функциональные возможности программной реализации. Так, различные способы формализации задачи выбора оборудования обусловливают ее реализацию в составе САПР в виде:
автоматической расчетной процедуры с использованием простых аналитических зависимостей;
сложной расчетной процедуры с использованием методоориентированной подсистемы моделирования;
информационно-поисковой системы технологического назначения, включающей средства арифметической обработки;
предметно-ориентированной системы моделирования;
предметно-ориентированной системы формирования и выбора проектных вариантов;
средств формирования решений на основе формализованного представления эмпирических правил;
диалоговой процедуры, в которой проектировщик влияет на автоматически формируемые решения косвенно, изменяя задание на проектирование.
Анализ возможностей различных способов формализации позволяет сделать следующие выводы:
1.	Задача выбора основного оборудования должна быть сформулирована на основе описания вариантности технологии изготовления для перспективного периода с составом и числом станочных модулей. Указанная связь является системообразующей для подсистемы основного технологического оборудования (ОТО).
2.	Источниками вариантности проектных решений являются альтернативность методов обработки, альтернативность выбора станочных модулей для одних и тех же методов, организационные нововведения в процессе изготовления.
443
3.	При формировании проектных вариантов ШТО необходимо учитывать следующие группы факторов:
обеспечивающие возможность альтернативы выполнения структурных элементов процесса изготовления на станочных модулях (конструктивно-технологические характеристики объектов обработки и модулей, включая систему ЧПУ);
влияющие на совместность выбора альтернатив (технологические факторы достижения требуемого качества обработки и целевое назначение станочных модулей);
влияющие на параметрические характеристики альтернатив по временной емкости и стоимости;
влияющие на параметрические характеристики (фонд времени, приведенные затраты) станочных модулей при объединении их в систему;
определяющие совместимость станочных модулей в составе системы с учетом вспомогательного оборудования.
4.	Процедуру принятия решения, учитывающую перечисленные в п.З факторы, не удается охватить моделью, использующей один способ формализации. Необходимо размежевание учета факторов по стадиям детализации проектных решений и этапам процесса принятия решения (подготовка, формирование альтернатив, анализ альтернатив, выбор). Для обоснования декомпозиции необходимо средство учета неопределенности. Кроме того, декомпозиция должна учитывать как сложившееся, так и наиболее рациональное распределение проектных работ в подразделениях организации.
Общая задача проектирования подсистемы основного оборудования.
Содержательная декомпозиция
Описание проектного варианта ПВ подсистемы основного оборудования ГПС многономенклатурного производства на этапе предварительного проектирования можно считать заданным в виде
ПВпс = ( 5, Л Rc \ /?техн, Л7153*1,7?комп, /?фо, А ),
где S - множество моделей основного оборудования из состава универсального множества Sy; /?сп ciS-P - отношение распределения оборудования по производственным подразделениям; R^™ qS-S-P - структура локальных транспортных связей; /?техн cS‘S>D-P - маршрутная технология обработки деталей производственной программы D = {d( }; Акомп qS-P-W - отношение размещения оборудования по секторам производственной площади (компоновка); 0 cH-S-P - распределение автоматически выполняемых функций производственного процесса (/) и соответствующего вспомогательного оборудования (g), Z/ = {(/,g)}; А -организация движения материальных потоков.
444
Общая задача проектирования подсистемы основного оборудования (ОЗпото) может быть формализована как задача принятия решения:
ОЗпото = {(ОП., и), (ОП2, ИМА)},
где U - универсальное множество проектных вариантов; ОП, - принцип оптимальности, выражающий условия допустимости альтернатив ПВ; ОП2 -принцип оптимальности, характеризующий качество ПВ; ИМА = ОПР(/ -исходное множество альтернатив.
Принципы оптимальности неявно заданы через совокупность свойств объектов обработки VD, основного оборудования Vs, вспомогательного оборудования и средств оснащения Евс, обеспечивающих подсистем Е°б, организации материальных потоков VA; E = E™UEQ\ Определим задание на предварительное проектирование ГПС:
ЗП = ( D, VD, W, Sy, Vsyf E,VA,Ty
Здесь T - плановый период для программы выпуска D.
В отсутствие априорной информации, чтобы определить показатели критериальных свойств для проектных вариантов, необходимо задать отображение
Ф°:(ПВгпс(ЗП,х^О).
Здесь % - вектор внешних возмущающих факторов.
В этом случае требуётся генерировать ПВ по морфологическому описанию, а для определения отображения <р° строить детализированную динамическую модель ГПС. Применение такой процедуры оправдано в случае проведения НИР по разработке новых структурных решений ГПС, поскольку отсечению неконкурентоспособных ПВ из морфологического многообразия в общем случае неэффективно.
В настоящее время осуществляется переход к индустриальным методам проектирования на основе отработанных (в том числе с помощью средств моделирования) типовых структурно-компоновочных решений (ТСКР).х Каждое ТСКР может быть задано системой морфологических ограничений на отношение, определяющее ПВ производственного подразделения,
ТСКР/ = ( 5/, R™”, R]v™, 7?/K0Mn, Я* 0 \.
Тогда каждому варианту состава подразделений /’ = {(/,//),..., (klk)} соответствуют ограничения . Здесь а е {тран, техн, комп, ф.о } - ин-/nd \
деке отношения; <з1к = Г 7 - операция селекции отношения R по формуле lk = I.
445
Совокупность ограничений указанного вида для множества используемых ТСКР включается в задание на типовое проектирование
зтп=(зп,{тскр/)/=/,...,и£
Это позволяет генерировать проектный вариант не из универсального множества U, а по локальным морфологическим описаниям. Кроме того, упрощается форма задания отображения (pQ, поскольку имеется принципиальная возможность получить априорные оценки качества проектных решений по результатам наблюдений за функционированием реализованных систем.
Факторы выбора оборудования, агрегирующие свойства VD, 7s, VA, Е представлены в табл. 14.2. Анализ показал, что для многономенклатурного производства факторы, не являющиеся критериальными, либо фиксируются при задании ТСКР,, либо связаны функционально с отношениями 7?пото(п) = 7с234, 7?техн(л)с5'-/)(«)-Ли = 1,2,..., где D(n) - структурное описание изготовления множества объектов обработки D на п -м уровне детализации, л234 - операция проекции отношения на 2,3,4 компоненты (столбцы).
14.2. Факторы выбора решения по подсистеме основного технологического оборудования ГПС
Факторы	Определяется ли выбором ТСКР
1. Технические (конструктивные): сопрягаемые характеристики (согласование) компоновка станочного модуля модернизация (необходимый объем) отвод стружки (способ) емкость магазина инструментов цикл обработки (автоматичность) смена заготовки (автоматичность) переналадка (автоматичность)	С точностью до комплекта Частично Полностью Ограничение Частично
2. Технологические: экономическая точность методы обработки диапазон габаритов заготовок число управляемых координат технологические процессы обработки технологические процессы переналадки процессы контроля транспортирование и ориентация выносные операции	Через состояние оборудования В зависимости от номенклатуры То же
3. Эксплуатационные: надежность сменность (допустимая) регламентное обслуживание	Частично Полностью
446
Продолжение табл. 14.2
Факторы	Определяется ли выбором ТСКР
4. Экономические и организационные: коэффициент загрузки количество единиц оборудования трудоемкость изготовления стоимость оборудования косвенные затраты подготовка производства номенклатура деталей программа выпуска частота смены объектов обработки повторяемость запуска уровень незавершенного производства производственная площадь численность персонала организация материальных потоков расчетная экономическая эффективность	В зависимости от номенклатуры Тоже Частично Удельн. - полностью Удельн. - полностью Частично Не зависит То же В значительной степени Удельн. - полностью Удельн. - полностью Полностью + алгоритм Частично
Неопределенность функциональных зависимостей, вызванная допустимой в рамках ТСКР, вариантностью компоновки (/?комп) и структуры транспортных связей (Я115311), частично компенсируется априорной информацией и окончательно снимается на следующих стадиях проектирования.
Декомпозицию общей задачи проведем на содержательном уровне. Общую задачу разделим на части, соответствующие уровням детализации описания D(n) и дополнительно потребуем, чтобы в каждой подзадаче окончательные решения принимались относительно одного свойства проектируемой системы, заданного некоторым множеством или отношением. Последнее необходимо для сохранения в автоматизированном режиме структуризации задачи выбора в том виде, для которого проектировщик имеет систему предпочтений, сформировавшуюся на основе неформального анализа осуществленных проектов. Тогда получим, что решение о выборе основного технологического оборудования формируется в три этапа, которые соответствуют принятым в теории организационно-технологического проектирования.
На первом этапе определяется количество, специализация и морфология производственных подразделений (участков) Р = { (/, /7 ),...,( к, 1к ) } в составе цеха (ОСП); на втором - закрепляются (перераспределяются) объекты обработки между подразделениями PZ>(1)(POO). При этом используется вариантность закрепления в общем случае фрагментов технологических процессов изготовления групп деталей, формирующая различные по масштабам подразделения. Заключительный этап - определение состава оборудования (ОСО) участка с известной морфологией и программой выпуска S' • Р • D (2).
Модели выделенных подзадач являются основой разработки проектных операций САПР ГПС.
447
14.2.	Методическое обеспечение проектирования
Общий алгоритм вариантного проектирования подсистемы основного оборудования
Алгоритм вариантного проектирования (рис. 14.2) реализуется применительно к каждой из задач, сформулированных на основе содержательной декомпозиции - ОСП, РОО, ОСО.
На этапе формирования исходного множества альтернатив (ИМА) решается задача ( U, Ont). ИМА определяется как решение в общем слу-
Решение о реконструкции или новом строительстве
ЛрйШёнш программа выпуска, ббёбёнйя об ббъёктах Обработки -представителях W), вариантная технология яп Л0П, печисо.рооу текущее распределение обработки, множество ТСКР (АО, ресурсы. материальные^ финансовые^ кОат^икащюнные.... 
Решение о проекте подсистемы ОТО
Определение состава подразделения
Распределение объектов обработки
----Определение состава оборудования
Формирование ИМА (распределительная модель)
Тлътёрнатйбныё варианты, Тостад основного оборудования, соответствующий вариант технологии
Расчеты вспомогательного оборудования, нормативные, показателей, зависящих от организации производства (динамических)
^Оценки вариантов по критериям /Есть алыпёрнатйвы, ’удоблётвортощйе\ ^критериальным ограничениям ? z
Распределение фрагментов ТП
кт
Распределение элементов обработки (групп переходов)
R000
Нет *—Kzj________
Стратификация множества альтернатив
Утверждение проектного варианта, документирование
► А подсистемам комплектации оборудования, размещения оборудования
Рис. 14.2. Схема вариантного проектирования подсистемы основного технологического оборудования гибкой производственной системы механообработки резанием
448
чае многокритериальной оптимизационной задачи комбинаторного программирования, область допустимых решений которой включает множество вариантов проектных решений:
срР(ср,хр	cz%p czZ+,(7 = 1,h,\|/р	->7?р.	(14.1)
Здесь срР - действительная функция, определенная на подмножестве целочисленных неотрицательных векторов, выражающая критериальное свойство; q - индекс критериального свойства; 0 е {ОСП, POO, СОС } -индекс проектной задачи, - отображение, устанавливающее соответствие решения оптимизационной задачи отношению, задающему проектный вариант.
Критерии определены так, что можно выделить главный, содержательная интерпретация которого позволяет утверждать, что в ИМА могут входить только ПВ из множества субоптимальных решений, удовлетворяющих критериальному ограничению:
ИМА = {с₽,хр е %₽ А {х₽Ф₽(с₽, х₽ )е	, 5й, Ф?]}}.
Здесь фР - экстремум главного критерия; параметр 8й определяет мощность множества претендентов на включение в ИМА; критерии строго упорядочены по важности, они используются для дополнительного отсева проектных вариантов таким образом, чтобы результирующее ИМА было ограничено по мощности.
Для выбора предпочтительного проектного варианта набор критериев фР(с3,хр ), q = l, nQ недостаточен по следующим причинам: не все критерии, выражающие существенные свойства ГПС, могут быть априорно строго упорядочены по важности; не все критерии могут быть связаны функциональными зависимостями, допустимыми для комбинаторной модели с независимыми переменными этой модели.
Так для расчета некоторых критериев необходимо доопределить модель (14.1), введя в нее новые объекты и соответствующие независимые переменные хр, или перейти к иной модели, часть параметров которой будет определена через независимые переменные первой модели СрСр(ср,хр). Например, для достоверного расчета динамических характеристик ГПС (время пролеживания, длительность цикла и др.) необходимо перейти к модели производственного процесса, детально отражающей динамические свойства ГПС (например, имитационной). При этом используются сведения о длительности вспомогательных производственных операций и схема планировки с учетом конфигурации производственных площадей (результат доопределения модели).
Возможность доопределения модели в соответствии с достигнутой степенью детализации определяет совокупность доступных для расчета показателей - критериев входящих в принцип оптимальности ОП2. На
449
третьем шаге алгоритма проектные варианты заданы своими критериальными оценками (<рр )и, V = 1, nv, nv -1ИМА |.
Для решения задачи выбора (ИМА,ОП2) используется метод векторной стратификации [5], позволяющий расслоить ИМА на строго упорядоченные по предпочтительности выбора страты. Наиболее предпочтительная страта предъявляется проектировщику как множество наилучших и неразличимых: по предпочтительности (по используемому набору критериев) проектных вариантов. Эти варианты принимаются для дальнейшей проработки.
Модель выбора основного оборудования подразделения гибкого производства
Описание вариантности технологических проектных решений
Информационно-логическая модель задачи ОСО представлена на рис. 14.3. Разработка проектных технологических процессов на детали-представители выполняется проектировщиком. Число деталей-представителей, как правило, не превышает 20...50. При этом производится предварительный выбор оборудования, который в неавтоматизированном режиме сводится к проверке соответствия габаритов заготовки размерам рабочей зоны станка, возможности выполнения всех необходимых видов элементарной обработки и выполнения требований чертежа. Корректировка технологических процессов проводится с целью улучшения загрузки оборудования (высвобождения единиц недогруженного оборудования) и заключается в установлении нового соответствия между видами элементарных обрабатываемых поверхностей (ЭОП) и доступными для выбранного оборудования процессами обработки и их оснащением. При этом первоначально принятый состав элементарной обработки может меняться с учетом технологических возможностей оборудования, но при условии соблюдения финишных требований к детали.
Нормализованное описание, разработанное для синтеза рабочих технологических процессов (ТП), строится на основе следующих структурных элементов: переход (П), прием (вспомогательные движения рабочего органа, не связанные со снятием стружки) (В), операция (установ) (У), этап (Э). Исходным пунктом синтеза ПОТО ГПС примем множество элементарных маршрутов j 3TMW, w = 1, позволяющих получить номенклатуру ЭОП, составляющих программу выпуска, в соответствии с требованиями чертежа. Для последовательной одноинструментальной обработки ЭТМ = В1П1В2П2...В„П .
Проектные технологические процессы (ПТП) разрабатываются по укрупненной методике: ЭТМ детализируется до уровня этапов Ээ™ =и(Ви,,Пи,), ЭТМ = |^|Э^™ . Каждый этап ЭТМ характеризуется w	е
видом обработки у , результирующей характеристикой точности и чисто-
450
Формирование задания на проектирование ЛОТО
Документирование <
Анализ и выбор
10 4-
Выбор Варианта и-
ШШГ— ГУ
мооелирооаЙбё расчет ТЭП
Перечень й структура критериальных свойств
Рис. 14.3. Информационно-логическая модель проектирования подсистемы основного технологического оборудования участка механической обработки: 1... 9 - шаги
ты поверхности у2 е {черновой, чистовой}, величиной припуска ( у3), диа
пазоном геометрических параметров ЭОП (у4, у5, ...).
Методика укрупненного определения станкоемкости задает отображения для определения основного технологического и штучнокалькуляционного времени:
t° -.r-+R\tk
здесь Г - пространство признаков этапа ЭТМ - у е Г\
451
Поскольку ПТП предназначены для выбора оборудования, формализованное описание отражает возможность распределения составных частей ПТП по позициям обработки (обрабатывающим модулям 5,), с учетом возможности их совмещения во времени.
В качестве элемента обработки (ЭО) примем совокупность этапов ЭТМ таких, что все ЭТМ в совокупности могут быть выполнены с одного установа на множестве рациональных вариантов ПТП и, как правило, находятся на одной «стороне» детали, а также могут выполняться на определенном множестве обрабатывающих модулей последовательно или с частичным совмещением во времени
=	(14.2)
здесь S{ ,...,SynJ ) - совокупность альтернатив станочных модулей, на которых может быть выполнен элемент обработки а{; 8" -совокупность приемов переналадки при включении Э^™ в некоторый деталеустанов.
Установ может быть представлен как
V = ({«J, z = 1, Лу },8У У	(14.3)
где 8у - совокупность приемов переналадки, не зависящих от состава элементов обработки.
Совокупность установов, выполненных над объектом aq, может быть распределена по этапам (фрагментам) ПТП (ФТП)
J
ПТп(а(/)=(фТП(,...,ФТП" ),	(14.4)
ФТПу(а(/)=({уа1
ап0
(14.5)
• М \
где М - совокупность альтернативных морфологических вариантов ТСКР производственного подразделения, в которых может выполняться v-й ФТП объекта аб/.
В качестве фрагментов выделены составные части ПТП (получение заготовки, подготовка баз, последовательность установов механообработки, отделенная операциями немеханической обработки или контроля, а также последовательность специальной механической обработки), о которых априорно известно, что они реализуются «выносными» операциями.
Описание сведений об объекте обработки aq имеет вид.
( {фтщ, V=1, л" }, у;,	).
Здесь N? - программа выпуска за плановый период; N* - количество запусков партий а(/ в течение планового периода; N™ - вектор важнейших конструкторско-технологических признаков: материал, характеристи-452
Множество	Этапы
деталей- ЭОП ЭТМ ЭТМ предстаботелей
Альтернативы
30 выбора станочных модулей
а
[>-КПЯ~1
[>— РГГИ
Множество деталей- 30 представителей
Альтернативы
<РТП Выбора ПНР
Пронятый
Вариант ТП
Рис. 14.4. Схема описания вариантности проектных решений по подсистеме основного технологического оборудования гибкой производственной системы механической обработки резанием:
а - уровень детализации описания ЭО; б - то же, ФТП
ка точности, чистоты, габаритные размеры. Описание (14.2)...(14.5) задает два уровня вариантности технологии (рис. 14.4). ФТП-уровень представлен выражениями (14.3...14.5); он соответствует задачам ОСИ и РОО. ЭО-уровень вариантности в разрезе подразделений задают выражениями (14.2). Пример описания вариантности приведен в табл. 14.3. Предполагается, что в множество альтернатив оборудования включены только соответствующие определенному для подразделения ТСКРД = St A Sy (/).
Проектный вариант для задачи ОСО есть множество назначений ЭО на позиции обработки
ПВОСО = {(я;, Sj. ), i-l,n{ }, что эквивалентно заданию отношения
Лосо = R(АхS): (a,,Sj)e Roco =>(at,Sj)£ Roco, j Ф f.
Множество допустимых вариантов выполнения отдельных ЭО также
453
задано отношением /?осодоп = R(A*S). Требуется, чтобы /?осо с/?осодоп. Между выбором альтернатив выполнения ЭО, относящихся к одному или нескольким объектам, существуют связи, обусловленные необходимостью выполнения ЭО при некотором закреплении объекта в рабочей зоне станочного модуля в рамках установа, взаимовлиянием ЭО по достигаемой точности (например, через возникающие тепловые деформации), дискретностью выделения ресурса «фонд времени станочного модуля» и другими факторами. Эти связи требуется отразить в ограничениях на проектный вариант.
Табл. 14.3. Вариантность обработки детали-представителя ПЕЮМ8.310.015 ось
«Установ», элемент обработки	Альтернативы станочных модулей
«ЗАГОТОВИТЕЛЬНАЯ» ОТРЕЗАТЬ ЗАГОТОВКУ L=146	16К20,2В262, 8Г662Ф2
«ПОДГОТОВКА БАЗ» ПОДРЕЗАТЬ ТОРЕЦ ТОЧИТЬ D=20 НА L =72	16К20, 1В340
«ПОДГОТОВКА БАЗ 2» ПОДРЕЗАТЬ ТОРЕЦ ТОЧИТЬ D=20 НА L=72	16К20, 1В340
«ТОКАРНАЯ» ТОЧИТЬ D=14 НА L=78 ТОЧИТЬ D=10 НА L=16 ПОД РЕЗЬБУ ТОЧИТЬ КАНАВКУ Ь=2,5 ДО D=8,2 ТОЧИТЬ ФАСКУ 1,6x45 ГРАД НАРЕЗАТЬ РЕЗЬБУ 10x1,25-6 м ФРЕЗЕРОВАТЬ КАНАВКУ b 4 НА ГЛУБИНУ 4 L=4	ИРТ180ПМФ4, 1720ПФ30 6Т13МФ4
«ТОКАРНАЯ» ТОЧИТЬ D=12 НА L=62 ТОЧИТЬ КАНАВКУ Ь=28 ДО D=11 ТОЧИТЬ D=11,8 НА L=10 ТОЧИТЬ КАНАВКУ ШИР =1,2 D=11,3 ТОЧИТЬ ФАСКУ 2x45 ГРАД. НА D=20	ИРТ180ПМФ4, 1720ПФ30
ФРЕЗЕРОВАТЬ 4 ЛЫСКИ В РАЗМЕР b= 10 НА L=6	6Т13МФ4
«ШЛИФОВАЛЬНАЯ» ШЛИФОВАТЬ D=12x6	ЗМ152ВФ2
Ресурсное ограничение по фонду времени определяет физическую реализуемость ПВОСО. Будем считать, что на основе отображений /°, tk и, например, методики расчета станкоемкости с учетом совмещения операций во времени по коэффициенту относительной производительности, а также на основании предположения о возможности линейной аппроксимации длительности переналадки от количества ЭОП, обрабатываемых в устано-ве, определены отображения
t:(A*S)^>R\x:({&}*S)-+R'.
454
Первое ставит в соответствие каждой альтернативе выполнения (а ,$ ) норму времени /(а;,5 ) с учетом доли времени переналадки на •/
выполнение приемов 5" . Второе задает норму времени для приемов, входящих в 8У. По каждой группе взаимозаменяемых станочных модулей (позиций) ресурс, необходимый для всех назначенных ЭО, не должен превышать суммарный эффективный фонд времени с учетом выполнения приемов переналадки:
a, ,Sj )eRoco
J:3(a, ,sj JeR0™
(14.6)
T(b\,Sj)< fj, ne (R™) = У, at e У, (%Sj)e Я°со, ie Iq
Здесь ff - суммарный ресурс времени модулей s в составе подраз-J	J
деления на обработку и переналадку; 1 - множество индексов ЭО, принадлежащих объекту d' пу - функция с областью значений на отрезке натурального ряда, задающая минимально необходимое для выполнения всех назначенных на s. элементов обработки количество установов.
Требование осуществить обработку не менее двух поверхностей в одном установе, чтобы исключить погрешность, связанную с перезакрепле-нием, учитывается путем включения таких поверхностей в один ЭО.
Множество установов, выполняемых на группе взаимозаменяемых станочных модулей, соответствует такому разбиению множества элементов обработки {^}, что \/ai^ye(ai,sj)eRoc°J = const\ кроме того, на {at} задан линейный порядок. Требования упорядочения обработки формируются при разработке проектных ТП относительно этапов ЭТМ.
Примем, что элементы обработки «наследуют» порядок этапов ЭТМ, входящих в состав этих элементов, а установы соответственно «наследуют» порядок элементов обработки:
ЭЭТМ . СхЭТМгхЭТМ _ „ гхЭТМ _ _ _х
w Э^ Э^ G dt, Эн, G dj dj, d: d. , d: G Уe , d. G У „ => У p -< Уp .
1 l2 l2 e\ l2 el	e2 e2
Технологические условия упорядочения ЭО, необходимые для определения состава операций (установов), зададим через следующие отношения частичного порядка.
1. Отношение порядка /?след 5 являющееся объединением линейных порядков, определяемых следованием этапов ЭТМ. Эти этапы упорядочены, начиная от этапов меньшей результирующей точности обработки к этапам большей точности. Сюда же входят упорядочение обработки поверхностей, связанных по типу «несущая-несомая», когда «несомая» не может быть образована в материале раньше первой, а также связанных не-
455
обходимостью обеспечения направления инструмента (например, для дальнейшей обработки методом протягивания), предотвращения нежелательных явлений при резании (например, прерывистое резание). В перечисленных случаях требуется, чтобы два ЭО, связанных отношением 7?c,ed были помещены либо в один и тот же установ, либо в разные установы, но чтобы это не приводило к противоречивому упорядочению:
(а. , а ) 6 7?““ => (ц
v Z1 * l2 '	v Z1
я, g У _ , (У, -< Уe ).
<2 с2 *	с2 z
, (2. G У е ) V (t7z G У , Cli G Уе ), (Уе У е )? 1	Лл	1	1	Х>	Х>	1	Х>
2. Отношение порядка 7?разм, определяемое причинами, требующими размежевания ЭО - помещения обязательно в различные, определенным образом упорядоченные установы. Это отношение объединяет частичные порядки, задающие необходимость обработки базы ранее связанных с ней поверхностей, а также необходимость отделять обработку, связанную со снятием значительного припуска и неравномерным разогревом. Этот же тип связи характерен для механической обработки некоторых поверхностей и улучшающей термо- и упрочняющей обработки, которая представлена операцией, содержащей единственный ЭО. Для ЭО, находящихся в отношении /?разм 5 требуется
Важным критериальным свойством ПТП является число установов. Современные многоцелевые станки позволяют проводить обработку деталей средней сложности за 1...3 установа; на станках, специализированных по видам обработки, может потребоваться 7 и более установов. Общее количество установов отдельного объекта можно выразить формулой
«усМ)=2>М7)-
Поскольку т?у(7?“°)>0, если Э/еТ, •(«;,$,) еТ?000, то можно утвер-ждать, что заведомо нерациональными будут проектные варианты, у которых для любого I мощность множества {5,3(а,,5,)е 7?осо,/6 7z,} больше, чем у некоторого варианта ПТП, включающего одноцелевые станки и содержащего наибольшее из допустимых количество установов. Этот ПТП обозначим как базовый ПТПБ. Для каждого установа из маршрута ПТП выделим произвольно ЭО; пусть I — множество индексов, выделенных ЭО. В качестве «выделенного» можно принять фиктивный ЭО, у которого /(fif,, Sj) , введенный специально, чтобы обозначить установ. Ограничение по количеству установов заключается в запрете назначения a,,ielq/Гч на любую позицию Sj при условии 3fа,, Sj) е 7?“°, z, е I*.
Кроме того, имеется класс нерациональных размещений элементов обработки, когда станочный модуль загружается работами, не соответст
456
вующими его целевому назначению в условиях, при которых данный вид работ может быть выполнен на другом модуле, соответствующем своему назначению. Например, нерационально выполнение сверлильных работ некоторой детали на станке типа ОЦ (ОЦ <= СР), если для выполнения фрезерных работ может быть использован тот же ОЦ, но используется фрезерный станок с ЧПУ (Ф <= ФР). Предпочтительной считается одна из трех других возможных комбинаций: (ОЦ <= СР, ОЦ <= ФР), (Ф <= ФР, С <= СР), (ОЦ <= ФР, С <= СР). Такое условное ограничение может быть сформулировано относительно групп оборудования, выделенных по целевому назначению (по выполняемым видам работ): Sy(l)c:Sy {JS\ Su flS112 =0, XIФ Л.2, как запрет назначать элемент обработки ajt у‘ = у[ на позицию, относящуюся к группе 5х1, одновременно с назначением ОрУ* =Уг на позицию группы SX2
LsJe/T.S, gSx1,L ,St )еДЖ0=>$, eSu.
\ Z1 7) /	71	\ l2 J2 /	71
Рассмотрим ограничения, связанные с доступностью поверхностей для обработки. Множество назначений (ai9 Sj),i g Iq образуют один или несколько установов на модуле Sj . При закреплении заготовки некоторые поверхности либо могут быть физически закрыты от рабочего органа элементами системы «станок - приспособление - инструмент - деталь», либо для доступа будет необходим длинный нежесткий инструмент, что не позволит удовлетворить требованиям точности обработки. Таким образом, ЭОП становятся недоступными при данном закреплении, ЭО «недоступен», если недоступна обработка хотя бы одной ЭОП из его состава. Сюда не входит случай, когда поверхность становится доступной при автоматическом перезакреплении, поскольку такую обработку можно рассматривать как составной установ, в который время перезакрепления входит во вспомогательное время цикла.
Пусть 3w\da,sj - возможное закрепление объекта da на модуле е ? представлено перечнем недоступных для обработки сторон {%р.В данном контексте сторона (сектор) является подмножеством {ЭО,} объекта обработки %Б =	L выделенным так, чтобы вклю-
ченные в него поверхности были одновременно доступны при всех рассматриваемых закреплениях. Обрабатываемые поверхности, входящие в сектор, могут лежать на разных плоскостях детали. Например, поверхности, связанные допуском на точность взаимного положения, должны входить в один элемент обработки и, следовательно, будут принадлежать одному сектору. В то же время для такой детали, как тело вращения, ЭОП, лежащие на одной цилиндрической поверхности, не обязательно доступны с одного установа и, следовательно, могут входить в разные секторы.
457
Каждый элемент обработки относится в одной определенной стороне обработки %Б1; %е2 = 0, el е2. Каждой группе оборудования соответствует в общем случае несколько возможных закреплений данного объекта обработки. Требуется, чтобы у любого объекта dq для множества его ЭО, назначенных на модуль Sj, существовала выборка из множества закреплений, в котором любой элемент V'ai не входил бы в перечень недоступных сторон,
V(a,, sje Л000, Sj е 5X33W(^, 5х): а, ё хЕ. хЕ е 3w(dq,5х).
Мощность определенного таким образом подмножества закреплений дает значение функции пу (Л°со).
С учетом возможностей формализации процесса информационную модель можно представить в агрегированном виде (этапы выделены на рис. 14.3).
Шаги 1...3 объединены в этап разработки вариантной технологии. Итогом его выполнения является определение; отношения Лосодоп(л xS), задающего назначения того или иного станка для выполнения ЭО, системы ограничений, а также вычисление потребности в ресурсе времени на выполнение элементов обработки и приемов переналадки т(ар5у).
Шаги 4...7 соответствуют этапу формирования ограниченного по мощности ИМА состава оборудования, удовлетворяющего рассмотренным выше условиям. Шаги 8, 9 требуют доопределения модели эскизной проработкой состава вспомогательного оборудования, средств технологического оснащения, организации материальных потоков. Здесь каждому проектному варианту из состава ША ставится в соответствие множество критериальных оценок. Решение задачи многокритериального выбора множества предпочтительных ПВ в явном виде представлено только в автоматизированном режиме. ПВ, вошедшие в множество предпочтительных, неразличимы по эффективности на данном уровне детализации проекта и ими принимаются для дальнейшей проработки, или производится отсев с помощью неформального анализа.
Анализ ограничений допустимости проектных вариантов. Баланс временных затрат
Важнейшим ограничением в задаче определения состава обрабатывающего оборудования является соблюдение баланса временных затрат по формуле (14.6), где требуется раскрыть связь величины суммарного эффективного фонда времени группы взаимозаменяемых модулей //1 с проектным решением по подсистеме ОТО.
Максимально допустимое время работы за год
кал
нераб
где Ткял = 8760 ч - полный годовой фонд времени; Гиераб - простой, свя-
458
занный с остановкой на время праздничных и воскресных дней, нерабочих смен, ч. Время на обработку планируемой номенклатуры деталеустановов включает время работы по программе и несовмещенную с обработкой установку-снятие заготовки Г711 и потери по причинам техническим, организационным, по переналадке на очередной объект обработки у»раб.п _ j-yn + у^пот фОрМуЛа ддЯ отражает затраты на формообразование и вспомогательные перемещения рабочих органов станка по всем инструментальным переходам. Для последовательной одноинструментальной обработки
р=]	w=]
(14.7)
Здесь соответственно: ии п, иуст, Кд, К и - число инструментальных переходов, выполняемых на модуле Sj , установов, измерений детали, то же инструмента; гп ин, гсс - время на подвод, позиционирование инструмента, время обработки (снятие стружки); к™ин, /см ин - число смен инструмента в w-м установе и среднее время одной смены; к™ и /инд - число поворотов стола и время индексирования стола (для токарной обработки - время пере-закрепления детали с поворотом на 180°); tyc - время на установку, фиксацию, зажим заготовки перед началом и обратные манипуляции после окон-
J
чания обработки УП; /инд, /подн - время измерения детали и подналадки; /и и 5 /к°рр и _ затраты времени на измерение инструмента и коррекцию по результатам измерения, если остановка предусмотрена по УП.
Элементный состав потерь годового фонда времени для автоматизированных обрабатывающих систем многономенклатурного производства
пот
соб
рег.сист
рег.ст
ав.ин
орг!
орг2
орг. пр
(14.8)
Здесь соответственно: г - собственные простои модулей из-за отказов механических, гидравлических, электронных устройств; /₽егсист; ;рег ст _ плановые затраты времени на профилактический ремонт и другое регламентное обслуживание системы в целом и не совмещенное с ним для станка; /авии - простой по причине смены поломанного инструмента; /брак -затраты времени на незаконченную обработку и вывод из системы бракованных деталей; /пер - простои при переналадке станка, включая смену затупившегося инструмента; /орг - простой станка отдельно и в составе всей системы в ожидании квалифицированного ремонта, если неисправность не может быть устранена дежурным персоналом ГПС до конца рабо-
459
чей смены; Горг2 - время ожидания переналадки (гожпер), доставки объектов обработки или средств технологического оснащения (гожлр) начала работ по измерению детали, устранению аварии и других работ, выполняемых оператором при прерывании цикла обработки t°*опер, возникающие из-за занятости соответственно наладчика, транспортного средства, оператора,
t
орг2
ож.пер
ож.тр
ож.опер
(14.9)
= t
+ г
+ t
^орг пр _ простой по внешним по отношению к ГПС организационным причинам: отсутствие электроэнергии, вспомогательных материалов, средств оснащения на складе.
Будем рассматривать вместо величины tn ин среднюю
Т'П.ИН __ .п.ин
Это допущение оправдано, поскольку при обработке одним и тем же инструментом групп поверхностей на разных сторонах детали инструмент обычно не заменяют, так как поворот стола происходит быстрее, чем цикл смены инструмента. Следовательно, время индексирования стола может быть рассмотрено как составная часть времени позиционирования инструмента. Общее количество установов, выполняемое на группе взаимозаменяемых модулей, выразим формулой
л=1
(14.10)
где /?°со - вектор назначений |ЭО() ie I / на j -й модуль.
Время переналадки для каждого объекта обработки за год запишем, исходя из линейной аппроксимации времени переналадки от числа единичных обработок в установе:
/Пер= £(0'(5у)+„инпе2(5у)),	(14.11)
W=1
где 02 (>9 ) - коэффициенты, зависящие от модели оборудования, п™ п - число ЭОП в w -м установе q -го объекта.
Уравнение баланса будем рассматривать в виде
Подставим в него выражения (14.7... 14.9) с учетом допущений (14.10), (14.11) и сгруппируем слагаемые левой части в пять составляющих:
(14.12)
460

___,иИП
см.ин . X y"j
с.с . л2
(14.13)
пот.слз j ав.ин .ав.ин
ПОДИ
(14.14)
пот.ож __.орг2
пот.нез .соб
ож.нал । ^ож.тр । ^ож.опер
>рг1 .рег.сист .рег.ст .брак .пр.орг
(14.15)
(14.16)
?
5
Здесь Nq - величина партии запуска объектов dq, если она обрабатывается без переналадки, в противном случае - максимальный размер партии, обрабатываемой одним комплектом инструмента без переналадки. Выделенные составляющие различаются характером связи с отношением Roco, задающим допустимый ПВ.
Введем обозначение расхода ресурса времени tq, связанного с альтернативой назначения элемента обработки at на модуль s ,
А
ty t\aifSj
ЭТМ
W
j
где пА - число этапов ЭТМ в элементе обработки ai, п-оп - число ЭОП в а,.
Тогда выражение для Туппер1 с точностью до порядка суммирования эквивалентно ТА =	* ^осо t(a,s) т.е. первая составляющая прямо
s
определяется отношением 7?осо.
В формуле (14.12) от 7?осо зависит только сомножитель wJCT. Рассмотрим 0-1 матрицу \Zlw |, каждая строка которой соответствует ЭО at, i е I , осо, столбцы матрицы соответствуют возможным закрепле-
i ’
так, чтобы на множестве закреплений существовал ли-
имеет малую размерность по
если
ниям {Зи, } объекта dq, Zjw = I, если ЭО доступен при закреплении Зид g %е и %е ё 3W. Величина wJCT равна мощности минимального покрытия матрицы Zlw |. Дополнительно требуется, чтобы это покрытие могло быть преобразовано в разбиение путем исключения единичных элементов из матрицы Ziw |
нейный порядок, не противоречащий порядку, заданному отношениями 7?след и /?разм. Заметим, что матрица ||Z/W |
числу столбцов, так как количество рациональных закреплений априорно ограничено числом порядка 2...4. Поэтому задачу определения числа закреплений можно решать за приемлемое время перебором допустимых покрытий с последующей проверкой условий порядка при построении разбиения.
461
Величина Ггют,слз складывается из элементов, соответствующих видам работ, выполняемых оператором станка с ЧПУ при аварийном или предусмотренном УП прерывании цикла обработки. По результатам эксплуатационных наблюдений, проведенных в ЭНИМС, показана зависимость занятости оператора от материала обрабатываемых деталей по видам работ. В табл. 14.4 приведены суммарные показатели занятости оператора в предположении, что подготовка заготовок к обработке производится на позиции вне станка, а установка-снятие выполняется автоматически. Увеличение времени цикла за счет работ, выполняемых оператором, включим в ресурс, необходимый для выполнения элемента обработки:
t \Cli, ,
—L- а в (#£* 1 (at, s.), 360 v iq ' v 1
ГОТслз=^ав(ЛГ-)/(о,)5.).
Здесь ав(^7) - удельные затраты времени в зависимости от мате
риала детали (см. табл. 14.4).
14.4. Показатели занятости оператора при обработке заготовок на станке типа «обрабатывающий центр»
Показатель	Материал детали		
	чугун	сталь	алюминий
Частота подхода к станку X, ч	7,20	9,11	8,29
Затраты времени на выполнение в работ а = — , станко-ч	346	490	163
Составляющие Тпат нез не зависят от У?060, они могут быть приняты по данным эксплуатационных наблюдений и, следовательно, в общем случае являются статистически неопределенными. Относительная величина дисперсии Гпот нез будет меньше, чем у слагаемых, если они независимы и отсутствует слагаемое с аномально большой дисперсией.
Развернутое уравнение баланса времени группы взаимозаменяемого оборудования имеет вид
где % - фактор неопределенности.
Постановка задачи формирования исходного множества альтернатив
Пусть независимая булева переменная х,, =1, если (а,,5.)е 7?осо, и Ху = 0 — в противном случае. Целочисленная переменная у. обозначает число станочных модулей Sj. Здесь i — индекс сквозной нумерации эле-
462
ментов обработки годовой программы. Тогда область допустимых проектных вариантов ПОТО задается следующей системой ограничений.
1. Ресурсное ограничение по фонду времени
(14.17)
Здесь принято, что если назначение (а,, Sj) запрещено, то ty = Тклл; 0’ - станкоемкость выполнения приемов переналадки, не зависящих от количества инструментов, для объекта d на позиции Функция пу (А™0) с областью значений на отрезке натурального ряда 11,..., и'] задает число установов объекта d на Свободный член 5, появляется в ре-л	J	J
зультате тривиального преобразования исходной формы неравенства (14.17) - суммируются и переносятся в правую часть слагаемые С такие, что /у < Ткал и ty =	* J.
2.	Требование назначения каждому элементу обработки точно одной позиции
(14.18)
3.	Ограничение количества установов. Пусть Г — множество индексов выделенных элементов обработки. Следующее неравенство гарантирует отсев маршрутов обработки с числом установов более I , требуя наличия на каждом станочном модуле по крайней мере одного «выделенного» ЭО:

(14.19)
4.	Условное ограничение соответствия выбора оборудования его целевому назначению. Пусть J - множество индексов элементов универсального множества модулей Sy разбито на непересекающиеся подмножества, соответствующие выделенным группам (£х }. Запрет выбора модуля группы 5х1 для элемента обработки а, совместно с выбором модуля группы
для а, задается условием
sign + sign < 1, (/] Д1, i2, Х2)е А4.
(14.20)
Обозначим 7Yl, Г2 - множество индексов элементов обработки соответственно вида у} и. у2 Тогда можно потребовать, чтобы ограничение (14.20) выполнялось У(/р /2): ix е /Т|, /2 е Р2.
463
5.	Ограничение рациональности выбора варианта технологического маршрута. Будем считать, что множество Sy разбито на необязательно не-пересекающиеся подмножества и каждое из них включает в общем случае модули нескольких классов, на которых возможно построение рационального маршрута. Например, Se' ={ОЦ}, Se2 ={ОЦ,СВ} и т.д. Требование поместить все элементы обработки на модули одного из подмножеств Se задается равенством
szgn Xixj + sign xi2j < 1, (j] Al, z2 Д2 ) e Л4.
(14.21)
6.	Ограничение доступности обработки. Обозначим Ри, - множество индексов элементов обработки, относящихся к сторонам, недоступным при закреплении 3W(<7 ,5х). Ограничение доступности запрещает выбор определенных подмножеств назначений на модуль s е 5х. Каждое запрещаемое подмножество назначений соответствует совокупности установов, выполняемых на s . Обозначим z(cZ ,5х) - выборку из множества закреплений {3],...,32}. Тогда
(14.22)
7.	Ограничение по масштабу подразделения может быть сформулировано относительно общего числа единиц оборудования:
j
(14.23)
где А и А - соответственно нормы «обособления» и «управляемости», обусловленные экономическими и техническими факторами.
8.	Ограничение по количеству различных станочных модулей
^signyj<\y
j
(14.24)
необходимо, чтобы исключить из области допустимых решений проектные варианты с неоправданным разнообразием модулей, не включая явно в целевой функционал дополнительные затраты на ремонт и обслуживание.
9.	При необходимости использовать имеющиеся в наличии станки добавляется ограничение
yj >ЛрЛ; 0, целое.
(14.25)
Применительно к ПОТО подразделения ГПС критерий может быть представлен в виде
464
„-о=£	-+ .
J	i J	j q
(14.26)
где Cj - приведенные затраты модуля Sj , отмененные к году работы; с“ -текущие затраты, связанные с выполнением i -го ЭО на модуле	-
часть затрат, связанных с выполнением установа, не зависящая от его состава.
В состав включены статьи расходов, которые могут быть отнесены к выбору конкретной модели основного и связанного с ним вспомогательного (пристаночного) оборудования. В состав с° входят текущие затраты на материалы, изготовление и содержание специального инструмента, подготовку управляющих программ.
В форме (росо(1) расходы на вспомогательные и обслуживающие подсистемы предполагаются неизменными, поэтому она может меняться только в рамках заданного ТСКР т,. В общем случае, если рассмотреть универсальное множество модулей оборудования Sy, то задача распадается на частные задачи для отдельных ТСКР, включающие ограничения на состав оборудования Sj eSy(z). Сравнение вариантов между собой в этом случае проводится по критерию в форме
фосо(2)= (p^Xl)(W/)+i4(W/).
Здесь Аут,) - затраты на вспомогательные подсистемы, зависящие только от принятого ТСКР и не зависящие в определенных пределах от масштаба подразделения. С алгоритмической точки зрения форма (р"со(2) не отличается от (р°со(1).
Упрощенный вариант критерия получен в предположении, что текущие затраты по альтернативным вариантам выполнения ЭО не различаются:
ч>Г,!) = Ъл •
J
Для порождения множества допустимых вариантов может также использоваться огрубленный критерий числа единиц оборудования
J
Выбор из рассмотренных форм определяется наличием и достоверностью информации по различным статьям расходов и приводит к формированию ИМА различной мощности.
465
Модель принятия решений по формированию производственных подразделений
В качестве базового при описании вариантности проектных решений по составу производственных подразделений и распределении между ними объектов обработки принят уровень ФТП. Выбор альтернативы выполнения ФТпДб^, (у^,у„/?	\j,m}еМ,, в общем случае связан с
расходом ресурса времени нескольких различных обрабатывающих модулей, поэтому каждая альтернатива характеризуется вектором потребности в ресурсе iiX =	где i - индекс сквозной нумерации ФТП объ-
ектов обработки, составляющих программу выпуска, / - индекс ТСКР производственного подразделения.
Формирование производственных подразделений представим в виде информационно-логической модели, включающей такую последовательность этапов (рис. 14.5):
Рис. 14.5. Информационно-логическая модель формирования производственных подразделений
466
1.	Выделение объектов обработки для создания однопредметных подразделений по условию
2.	Формирование конструктивно-технологических (К-Т) общностей объектов обработки по основным операциям. Общность формируется в пространстве признаков, базовый набор которых включает Уг, У3, N™ . В качестве критериального свойства используется мера качества группировки, заданная алгоритмически или, например, в форме потенциальной функции.
3.	Сопоставление каждой общности (кластера) действующему или вновь создаваемому подразделению. Группировка корректируется с учетом ограничений на мощность групп, которое накладывается косвенно - через требуемое количество оборудования, определяемое по суммарному ресурсу времени. Уточним ограничения - наличное количество оборудования для действующих подразделений и «норма управляемости» или имеющиеся площади - для создаваемых. В общем случае можно считать, что для каждого ТСКР т, заданы параметры А* и А**, ограничивающие количество оборудования в подразделении соответственно снизу и сверху, а также одновременно заданы более жесткие ограничения для отдельных подразделений.
4.	Корректировка распределения ФГП по производственным подразделениям. Если имеются группы взаимозаменяемых станков, коэффициент загрузки которых меньше установленного норматива, то путем перераспределения ФТП между подразделениями добиваются увеличения этого коэффициента. Критериальное свойство, устанавливающее предпочтительность,-выражено векторным показателем коэффициентов загрузки. Учет других критериальных свойств, которые изменяются при перераспределении ФГП, из-за методических трудностей расчета на практике затруднен.
Рассмотрим множества М = \тх,..., т„м | - применяемых ТСКР и Ф = |фТП1?..., ФТП„ф | - ФТП программы выпуска. Построим формальное представление множества подразделений проектируемой производственной системы из составных элементов (т,,#), где к - число из отрезка натурального ряда - P = {(mlfk), w, eMJпк Введем отношение ^роодоп ^|фхМх|/, ...,пк кортеж (ФТП,, ти,, к} е /?ро° доп, если истинно значение формулы	У (где - кортеж признаков
варианта ТСКР), задающей допустимость выполнения ФТП, в подразделении вида т1. Проектный вариант задается отношением /?ро° cz 7?ро°доп, удовлетворяющим условию единственности назначения
(ФТП,, ml ,к) е /?ро° => (ФТП,, , к') ё /?ро°, V(Z', к') *(l,k)
и достаточности ресурса времени по каждой компоненте вектора ресурсов.
467
При этом суммарный ресурс каждого подразделения косвенно ограничен сверху «нормой управляемости» и снизу «нормой обособления».
Каждому проектному варианту соответствует состав производственных подразделений Р = {(wz, к) 13(ФТП, (wz, к)) g /?ро°. Вектор необходимого ресурса времени подразделения складывается из потребностей всех ФТП, назначенных в это подразделение. Фактический ресурс выделяется дискретами, соответствующими добавлению модуля того или иного вида. Обозначим sjfcni, к), /?ро°) - состав станков в подразделении, удовлетворяющий ресурсным ограничениям для г/-го ПВ (функция sJ[mlfk),Rpo°}), задается тривиальным алгоритмом, суммирующим векторы с селекцией по отношению R^°° по формуле (/' = /) иди (к' = к).
Чтобы иметь возможность получать из описания варианты ПТП с различной степенью концентрации операций, в качестве ФТП необходимо рассматривать следующие структурные элементы: отдельные установы, совокупности установов, составные части установов. В первых двух случаях элемент вектора ресурсов рассчитывается по формуле
=Х/:аЛеУ(,5'/;еФТпЛ У+?,У ₽	(14.27)
Если ФТП, представляет составную часть установа, то второе слагаемое в формуле (14.17) опускается. В этом случае требуется дополнительно ввести ограничение, гарантирующее совместное назначение ФТП, с одним цз ФТП, содержащих установов, для которого ФТП, может быть составной частью:
(ФТП,, (т, ,к)),( ФТП., (т, ,к) \ е 7?”°°, i е I*.
(14.28)
Когда совокупность ЭО, составляющая ФТП, может либо выполняться в отдельном установе, либо включаться в другой установ, то в формуле (14.27) учитывается второе слагаемое, однако при объединении двух базовых установов, представленных различными ФТП, в один фактический, что допустимо при условии (14.28), суммарная потребность в ресурсе сокращается на величину второго слагаемого. В общем случае это может быть верным для более чем двух ФТП.
Как показал анализ процессов изготовления деталей средней сложности в приборостроительном производстве, число ФТП, при совместном выполнении которых в одном подразделении происходит сокращение числа установов за счет повышения концентрации обработки, не превосходит трех. Следовательно, можно выделить непересекающиеся трехэлементные подмножества (z19 z2, z3)g Т3 так, что совместное выполнение ФТП с индексами, составляющими выборку из каждого такого подмножества мощности 2, приводит к сокращению потребности в ресурсе на Тус пер1, а мощности 3 - на 2Тус пер2 Суммарная потребность в ресурсе станочных модулей s
468
Tj (mhk) Х(ФТП;,Цл))еЛР°°Xfjl>(2;€/237y P w
Между выбором альтернатив выполнения ФТП одного и того же объекта существуют связи, обусловливающие выбор одной из подмножества альтернатив выполнения ФТЩ , если выбрана одна из подмножества аль
тернатив выполнения ФТЩ :
/фТП, , (те,,к)\ е /?р°°,те, е Мх* => (фТП, ,(т,,к)\ е Яр°°, те, е М12.
Например, в подразделении с высокой степенью автоматизации цикла обработки и вспомогательных операций, как правило, требуется обработка заготовки методами, обеспечивающими приближение ее по форме и размерам к готовой детали. В этом случае может быть исключена черновая обработка заготовки.
Допустимые проектные варианты характеризуются совокупностью частных критериев, например, суммарная трудоемкость, объем передач объектов обработки между подразделениями (объем кооперативных связей). Анализ процесса проектирования, отраженного информационно-логичес-кой моделью (см. рис. 14.5) показывает, что учитываемые критериальные свойства связаны с глобальным критерием затратного характера.
Глобальный критерий экономической эффективности может быть представлен в форме приведенных затрат или в некоторой относительной форме, однако достоверность расчета затрат для проектируемого производства на этапе формирования подразделений практически связана с отсутствием нормативов и недостаточностью информационной базы. Поэтому в ходе синтеза проектного варианта важную роль играют косвенные критерии, характеризующие его структурные свойства и учитываемые алгоритмически. Роль этих критериев заключается в том, что они устанавливают отношение предпочтения на множестве проектных вариантов, неразличимых, по критерию отбора в исходное множество альтернатив.
Рассмотренная модель приводится к задаче комбинаторного программирования, для которого разработаны эффективные локально-стохастические алгоритмы, пригодные для использования в системе автоматизации в оперативном режиме.
14.3. Формирование компоновок станочных систем с использованием банков данных по стандартным (унифицированным) проектным решениям
Формализованное представление и классификация типовых структурно-компоновочных решений
Компоновочное решение ГПС (КР) - это принципиальная схема взаиморасположения и взаимосвязи основного (станочного) и вспомогательного оборудования, трасс движения межоперационного транспорта, а также, если необходимо, различных служб ГПС. Причем эта схема обеспечивает требуемые организационно-плановые характеристики ГПС и возможность размещения оборудования на отведенных производственных площадях.
469
Необходимо отличать компоновочное решение от планировки. Планировка - это чертеж площади участка с указанием расположения всего устанавливаемого оборудования: основного и вспомогательного, различных пультов, гидростанций; элементов здания (колонн, проемов, ям и т.д.); проходов, проездов с точной взаимной размерной привязкой, но без указания взаимосвязи транспорта и ОТО в процессе функционирования ГПС, а также с указанием прокладки электрокабелей и др. Планировка разрабатывается на основе принятого компоновочного решения на этапе рабочего проектирования ГПС.
Анализ задачи проектирования компоновочного решения ГПС показывает, что наиболее рационально совместное проектирование схемы расположения станков на производственной площади и конфигурации обслуживающих их транспортных линий. Это обусловлено взаимным влиянием принятой схемы расположения ОТО и необходимой трассы движения транспорта. Для формирования проектных вариантов КР можно использовать в качестве исходного элемента типовые структурно-компоновочные решения, позволяющие осуществить данную концепцию совместного проектирования.
Типовое структурно-компоновочное решение (ТСКР) - это принципиальная схема взаиморасположения зон размещения технологического оборудования и трассы движения межоперационного транспорта ГПС с указанием возможного направления движения. На схеме ТСКР также показывают позиции загрузки и разгрузки транспортной системы и, если необходимо, позиции накопителей, складов и перегружающих устройств.
Под позицией понимается ограниченное место на схеме, где возможна установка единицы оборудования. Для графического отображения схемы СКР нет смысла вводить какие-то формальные правила - схема должна достаточно ясно показывать расположение в пространстве оборудования, накопителей, станций загрузки-разгрузки и трасс транспортной системы. При этом рационально, например, зоны размещения оборудования изображать в виде прямоугольников одного размера, линии транспортирования -одинарными линиями со стрелками, указывающими направление движения, и т.п. Пример составления схемы СКР на основе чертежа ГПС (WK FFS 800 = 5, ФРГ) представлен на рис. 14.6.
Рис. 14.6. Пример составления схемы ТСКР
Правила формализации, разработанные для описания ТСКР, строятся на основе следующих структурных элементов: элемент компоновки (Э), связи взаимного расположения элементов (R), схема сети транспортного обслуживания (5), возможные виды транспортных средств (W).
470
ТСКР = (Э,/?,5,Ж)
Ниже рассматриваются элементы структурно-компоновочного решения.
1.	3 - зоны размещения технологического оборудования: основного (обрабатывающие центры), контрольно-измерительных и моечных машин. Зона размещения ограничивается транспортными линиями, перпендикулярными к транспортной линии, непосредственно обслуживающей станки. При проектировании компоновочного решения в зоне должна быть размещена минимум одна позиция оборудования, максимальное количество не ограничено и определяется при решении конкретной задачи проектирования (рис. 14.7).
Рис. 14.7. Вариантность размещения позиций ОТО по зонам ТСКР (на примере ГПС «Мурата», Япония)
2.	Н - центральный накопитель. В центральном накопителе хранится запас собранных комплектов «деталь - спутник» для автоматической работы системы в безлюдном режиме.
3.	С - центральный склад. Отличие центрального склада от накопите
ля в том, что в нем хранятся отдельно детали и отдельно спутники, причем
поступление в систему возможно только через станцию загрузки в неавто
матическом режиме.
4.	ЗР - место загрузки для установки детали на палету и передачи в транспортную систему ГПС, место разгрузки для снятия обработанной детали и комбинированное - для загрузки-разгрузки.
5.	П - точка передачи деталей из цеха на участок и обратно.
6.	ТЛ - элементарная транспортная линия. Всего можно различить шесть видов транспортных линий (ВТЛ): однонаправленная, двунаправленная, кольцевая, полуколь-цевая, круговая, плоскостная (рис. 14.8). Для описания транспортной системы с помощью элементарных транспортных линий проводится декомпозиция трасс движения транспорта, изображенных на схеме, и выделяются
Рис. 14.8. Элементарные транспортные линии: а - однонаправленная, б - двунаправленная; в -замкнутая; г -полузамкнутая; д - круговая; е - плоскостная
471
элементарные линии. Пристаночные накопители не специализируются как элемент ТСКР потому, что практически во всех случаях их можно отнести к позиции ОТО.
Перечисленные структурные элементы не обладают геометрическими характеристиками (размерами, площадью); при описании типового СКР только констатируется их наличие и количество.
Связи взаимного расположения элементов ТСКР задаются в виде матрицы расположения М = [МЛ/], размерности axb. Элементу МЛ/ матрицы соответствует принадлежность одного из элементов: 3, Н, С, П, ЗР или элементарной транспортной линии ТЛ, причем транспортная линия может занимать несколько элементов М в одном столбце или строке. Возможны пустые элементы М (рис. 14.9). В случае пересечения элементарных ТЛ/5
Рис. 14.9. Матрица взаимного расположения (на основе ГПС DMW WK FFS 800-5, Германия): а - схема типового СКР; б - матрица расположения (М)
30TD1		тлз ТЛ2	тлз	ТЛЗ ТЛ5	
ТЛ1	ТЛ1	ТЛ1 ТЛ2	И	ТЛ5	ЗР
30102		ТЛ2 ТЛ4	ТЛЦ	ТЛ5 ТЛЬ	
					

точка пересечения Ру специализируется как принадлежащая обеим линиям Ру е ТЛ;; Ру 6 ЭТ;. При этом предполагается, что движение объекта может осуществляться в направлении транспортной линии и переходить на любую из пересекаемых линий в соответствии с М. В матрице выделяется также такая структурная единица, как ряды основного технологического оборудования (РД). РД состоит из нескольких зон (3) основного оборудования, обслуживаемых одной элементарной ТЛ.
В типовом СКР возможно два способа расположения ОТО относительно транспортной линии. Первый способ (рис. 14.10, а) - транспортная линия проходит рядом со станком (фронтальная загрузка станка); второй способ (рис. 14,10, 6) - транспортная линия проходит через станок (загрузка сверху, боковая загрузка). Итак, матрица не несет в явном виде информацию о фактических значениях расстояний между элементами ТСКР, а только об их взаимном расположении.
ТЛ
ОТО
Рис. 14.10. Способы расположения позиций ОТО относительно транспортных линий
472
Схему S наиболее рационально описывать в виде ориентированного графа транспортной сети С = где V - множество вершин графа, представляющих элементы ТСКР: 3, Н, С, ЗР, а также множество точек пересечения Ру транспортных линий в соответствии с матрицей расположения; Е - дуги, соответствующие элементарным транспортным линиям.
Структуру подобного графа можно описывать модифицированной матрицей смежности C = |crJ, значения которой Cz/=ТЛА: .идущей из вершины i и j. Если такой транспортной линии не существует, то Су = О (рис. 14.11).
Рис. 14.11. Описание транспортной сети ТСКР: а - граф транспортных связей; б — матрица смежности
Зото1	Го	1	0	0	0	1	0	0	0	0
Зото?	0	0	0	0	0	1	0	0	0	0
и	0	0	0	0	0	0	2	0	0	0
ЗР	0	0	0	0	0	0	0	0	S	0
л _	1	1	0	0	0	2	0	0	0	0
и - Р12	0	0	0	0	0	0	0	2	0	0
Р42	0	0	0	0	2	0	0	0	0	0
Р23	0	0	2	0	0	0	2	0	0	3
Р54	0	0	0	0	0	0	4	0	0	0
Р35	0	0	0	5	0	0	0	0	5	0
S
Вид транспортного средства W задается для каждой транспортной линии из числа возможных к применению по своим конструктивным характеристикам. Такой способ задания видов транспорта раздельно для каждой линии обеспечивает при необходимости получение компоновок с комбинированным транспортом. Задание видов транспорта целесообразно проводить в матричной форме В = [В/А. ] размерности п х т, где п - число ТЛ, т - число W (конвейер, рельсовая тележка и т.д.). В jk = 1, если к-и вид транспорта применим на у-й линии, иначе В/к = 0 .
Итак, формальное описание типового СКР сводится к заданию совокупности
СКР = ({3/,/ = 1...К},Н,С, ЗР,П,{тЛ7,7 = 1...#},М, с, в).
Формирование вариантов ТСКР осуществляется проектировщиком. При этом возможны два принципиально различных подхода.
1. ТСКР формируется на основе аналога - реально существующей ГПС. При этом надо отметить, что на основе анализа действующих ГПС можно сформировать более 50 ТСКР, что дает значительное разнообразие вариантов для выбора.
2. Проектировщиком создаются новые СКР, еще не встречающиеся на практике. В частности, в качестве одного из подходов к созданию новых ТСКР можно рассматривать метод морфологического анализа.
473
Как в том, так и в другом случае предварительно формируется схема СКР, проводится ее декомпозиция на отдельные элементы и описание на основе рассмотренных выше формальных правил.
Для удобства использования необходимо классифицировать созданные типовые СКР. Наиболее целесообразной представляется классификация по двум признакам: 1) схемы трасс движения транспорта; 2) схемы расстановки позиций основного и вспомогательного оборудования относительно трасс движения транспорта.
В свою очередь схемы трасс движения классифицируются по признакам: 1) конфигурация трасс движения транспорта; 2) возможные направления движения.
Взяв за основу приведенные признаки, оказалось возможным на основе анализа существующих ГПС выделить типовые схемы трасс движения транспорта в ГПС, необходимые для классификации типовых структурнокомпоновочных решений (табл. 14.5).
На основе приведенной классификации трасс движения транспорта проводится классификация типовых СКР (табл. 14.6), причем конфигурация трасс движения транспорта в типовых СКР, отнесенных к одной классификационной группе, может быть различной в пределах типовой схемы трасс движения (см. табл. 14.5).
Каждое сформированное типовое СКР обладает определенными возможностями транспортной системы доставки палет с деталями из одной позиции обработки в другую. Эти возможности можно характеризовать: гибкостью транспортной системы и производительностью.
14.5. Типовые схемы трасс межоперационного транспорта ГПС
Конфигурация		№	Схема							Возможный вид транспорта
Линейная	Движение одностороннее									
	Прямолинейная	1	рис. а							К, РТ и Индуктивная (ИТ)
	Параллельная	2	рис. б		н			 ч			К, РТ
Замкнутая	Кольцевая	3	рис. в		1 ) в					К, ИТ. РТ, ЦТ
	Разветвленная	4	рис. г	▼		—1			т»>	*		К. ИТ, РТ
	Сложная	5	рис. д	t 4	*						К, ИТ, РТ, ЦТ
Линейная	Движение реверсивное									
	Прямолинейная	6	рис. е							ИТ, РТ, ш
	Разветвленная	7	рис. ж		J	L .			ж	ИТ,РТ
										
	С разъездами	8								ИТ
Замкнутая	Кольцевая	9	рис. и						)“	ИТ
	Круговая	10	рис. к		[ ) к					КР
Пространственная	—	11							л	ПР
			рис. л							
Сетевая	—	12			1^.					ИТ, ЦТ
			ПНР 11								м	
										
			рис. м							
Примечание: К - конвейер; РТ - рельсовая тележка; ИТ - индукционная тележка; ЦТ - тележка с тяговой цепью; Ш - штабелер; КР - консольный робот; ПР - портальный робот
474
14.6. Классификация типовых структурно-компоновочных решений
Наиболее полно гибкость транспортной системы можно оценить на основе ряда качественных признаков Г:
Г1 - последовательность прохождения палеты с деталью позиций основного технологического оборудования от станции загрузки к станции разгрузки (жесткая последовательность прохождения всех позиций в маршруте, с возможным пропуском позиций, произвольная последовательность);
Г2 - возможность повторного прохождения палеты через позицию (невозможно, возможно через станции загрузки-разгрузки, возможно);
ГЗ - возможность пропуска вперед приоритетной детали (возможно с ограничениями, невозможно, возможно без ограничений);
Г4 - возможность переадресации палет с деталями в процессе обработки (возможно, невозможно и, если возможно, то на какие позиции);
475
Г5 - синхронизированный такт работы транспорта (необходим, необязателен).
Оценка производительности транспортной системы типового СКР возможна по следующим показателям П:
П1 - число одновременно обслуживаемых позиций;
П2 - наличие ограничений на обслуживание позиций (если транспортные тележки могут помешать друг другу в процессе работы);
ПЗ - среднее расстояние перемещения палеты от станции загрузки к станции разгрузки.
Эти оценочные показатели возможно сформировать на основе описания графа транспортных связей (G) и матрицы расположения (Л/). Наличие такой совокупности оценок транспортных возможностей ТСКР позволяет вести предварительный отсев проектных вариантов на ранних стадиях проектирования.
Общая модель проектирования компоновочного решения
В основе рассматриваемого метода проектирования компоновочного решения (КР) ГПС лежит принцип вариантного проектирования с использованием типовых СКР в качестве исходного элемента. Все типовые СКР, описанные по формальным правилам, образуют банк типовых СКР, на основе которого и ведется проектирование. Число ТСКР, имеющихся в банке к началу проектирования, Nm .
Рассмотрим далее последовательность проектирования, предполагаемую в модели, показанной на рис. 14.12.
Банк ВТО
Формирование состава ВТО
Стратификация компоновочных решении
Альтернативные компоновочные решения ~г~ ПрйнШЗё компоновочное решение
Рис. 14.12. Общая модель процесса проектирования КР ГПС
476
На первом этапе проектирования КР производится формирование принципиально возможных структурно-компоновочных решений (ПВСКР). ПВСКР - это доопределенное типовое СКР, и его можно описать как совокупность
ПВСКР7 = ( ТСКР,, П, Рпоз, Рото, кху)
где П - число позиций ОТО; Рпоз - распределение позиций П по зонам расположения оборудования для типового СКР, (см. рис. 14.7); Рото - распределение конкретных моделей станков по позициям П; Кху - координатные размеры привязки позиций основного, вспомогательного оборудования и транспортных линий к площади участка.
Формирование ПВСКР ведется на основе типового СКР путем проверки на соответствие критерию допустимости формирования ( Кдоп ) и доопределения. Kdwl обусловливает выполнение трех требований:
1)	число позиций ОТО должно быть не менее числа зон, специфиро-ванных в ТСКР, требование очевидно по определению ТСКР;
2)	транспортная сеть ТСКР должна обеспечивать все требуемые технологическим процессом и структурой ОТО перемещения деталей в системе;
3)	необходимо размещать все элементы компоновки в пределах отведенной площади участка, причем если в ТСКР предусмотрено применение разных видов транспорта для одной линии, то ширина линии принимается достаточно большой, допускающей применение всех видов транспорта.
Если анализируемое ТСКР удовлетворяет перечисленным выше требованиям, то производится его доопределение следующим путем:
1) решают задачу оптимального распределения позиций Рпоз ОТО по зонам, специализированным в описании типового СКР, при этом элементы компоновки не должны выходить за границы производственной площади участка, для полученного распределения определяют координаты привязки элементов Kvv .
2) решают задачу оптимальной расстановки основного оборудования по позициям (П), исходя из критерия минимизации грузопотоков.
В структуру исходных данных, необходимых для выполнения рассмотренного этапа, входят: описание площади участка, количество, структура ОТО (взаимозаменяемые, взаимодополняющие, независимые станки) и его габаритные размеры, маршрутный технологический процесс, номенклатура и программа выпуска деталей. Для определения геометрических размеров транспортных линий используются сведения из банка данных по ВТО.
Все подученные на этом этапе решения составляют множество ПВСКР:
ПВСКР = {ПВСКРУ,7 = 1...ЛГПВ },
где 7/пв ~ число сформированных ПВСКР, причем в общем случае Л^пв < *т 9 те. не все типовые СКР реализуемы.
477
Все решения, составляющие множество ПВСКР, теоретически возможно реализовать для заданных условий проектирования, но многие будут заведомо нерациональны.
Вторым этапом проектирования в соответствии с предложенной моделью является сужение множества ПВСКР до множества тиражируемых СКР. Тиражируемое решение (ТирСКР) - это такое ПВСКР, для которого уже существуют в промышленности ГПС аналоги и доступные для использования реализованные в них проектные решения, а также выпускается вспомогательное оборудование. Использование принципа тиражируемости дает возможность значительно сократить сроки и затраты на проектирование и изготовление ГПС. Включение ПВСКР в множество ТирСКР ведется на основе второго критерия допустимости формирования Кдп2.
В структуре Кдп2 можно выделить следующие целевые требования:
1) для включения элемента из множества ПВСКР необходимо наличие в банке аналогов (см. рис. 14.12) сведений о проектных решениях для ГПС со сходными условиями эксплуатации (тип деталей, программа выпуска, технологические процессы, организационно-плановые характеристики работы);
2) требование к доступности предусмотренного в ПВСКР транспортного и другого вспомогательного оборудования.
Все удовлетворяющие перечисленным требованиям элементы множества ПВСКР образуют множество ТирСКР.
ТирСКР = {ПВСКРу ,j=l... 7Утир } в общем случае.
В ряде случаев при проектировании появляется необходимость в использовании компоновочных решений, не имеющих аналогов; при этом фактически переносятся все решения из множества ПВСКР во множество ТирСКР без отсева. Очевидно, что в этом случае этап формирования множества ТирСКР можно опустить.
На третьем этапе проектирования формируются компоновочные решения
крг =(пвскр7,вто),
где ВТО - состав вспомогательного (транспортного) оборудования.
Для этого производится выбор транспортного оборудования на конкретной модели, а также другого вспомогательного оборудования (накопителей, перегрузочных устройств, станций загрузки транспортной системы). Критерием возможности формирования КР является проверочный расчет возможности транспортной системы беспростойного обслуживания всех адресуемых позиций ГПС. Если для одного ПВСКР возможно применение различных видов транспорта, то проверяется возможность формирования нескольких вариантов КР, отличающихся различными видами транспорта.
Все полученные компоновочные решения ГПС образуют множество конкурирующих альтернативных решений, каждое из которых отвечает исходным данным и может быть практически реализовано:
ИМА = {КРг,г = 1..^кр }.
Последним, четвертым этапом проектирования в соответствии с предложенной моделью является процесс оценки альтернативных решений и 478
выбора из них предпочтительного. Для этого предлагается применить метод векторной стратификации, позволяющий разбить ИМА на упорядоченные по предпочтительности страты, исходя из совокупности критериальных оценок. Наиболее предпочтительная страта предъявляется проектировщику как множество наилучших и неразличимых (по использованным критериям) проектных вариантов. Отбор окончательного проектного варианта ведется неформальными методами после возможной доработки.
Информационно-логическая модель задачи формирования ПВСКР представлена на рис. 14.13. Решение отдельных проектных задач, специализированных в этой модели, будет рассмотрено ниже. Здесь рассмотрим некоторые принципы, заложенные в общую структуру модели.
Рис. 14.13. Модель формирования ПВСКР
Формирование множества ПВСКР ведется путем анализа и доопределения последовательно каждого ТСКР из содержащихся в банке. Для проведения предварительной оценки пригодности ТСКР проверяется возможность транспортной схемы ТСКР по обеспечению требуемых технологическим процессом и структурой ОТО перемещений деталей в системе и возможность размещения оборудования в отведенной площади по максимальным габаритам.
Вся задача размещения оборудования ГПС в производственной площади разделена на две подзадачи: 1) доопределение ТСКР путем ввода позиций ОТО (соответствующего количеству станков), нахождения их оптимального распределения по зонам расположения основного оборудования, специфицированным в ТСКР (см. рис. 14.7) и размещения элементов ТСКР в производственной площади с расчетом координат привязки; 2) распределение конкретного оборудования по позициям. Такое разделение задач сделано для упрощения моделей и будет обосновано ниже.
479
Определение требуемой схемы транспортных связей
Схема транспортных связей, реализованная в ТСКР, должна обеспечивать движение объектов транспортировки - палет в соответствии с любым из заданных технологией и структурой ОТО маршрутом прохождения позиций обработки. По возможным в ТСКР перемещениям деталей можно выделить четыре основных типа транспортных схем.
Схема I.В ТСКР с такой транспортной схемой возможны любые перемещения палет - с пропуском позиций, возвратом к любой позиции и т.п. (рис. 14.14, Г).
Схема II. Обеспечивает только последовательное перемещение палет от позиции к позиции, без пропусков и возвратов на предыдущие позиции (системы с роликовыми конвейерами, рис. 14.14, 77).
Схема 777. Аналогична предыдущей, но возможны пропуски позиций в порядке следования (рис. 14.14,777).
Схема IV. обеспечивает только последовательные перемещения палет по позициям без их пропуска, но с возможным повторным прохождением (замкнутые конвейерные системы), (рис. 14.14, IV). Подобная схема, но с возможностью пропуска позиций, практически вырождается в первую схему.
77
777
Рис. 14.14. Типы транспортных схем в ТСКР
IV
Принадлежность схемы транспортных связей ТСКР к одному из четырех типов однозначно определяется графом транспортных связей (см. рис. 14.11) и может быть выражена в оценочных показателях гибкости транспортной системы ГТ— последовательность прохождения позиций и Г2 - возможность повтора. Комбинация этих показателей определяет тип транспортной схемы:
Г1 возможно
Г2 невозможно
Произвольная
Cxi
Cxi
жесткая с пропусками
Сх4	Cxi
Сх2	СхЗ
На основе сказанного выше оценка применимости ТСКР по его транспортным возможностям должна базироваться на их сравнении с задаваемыми технологией и структурой ОТО маршрутами перемещения деталей.
480
Для этой цели необходим анализ заданных маршрутов перемещения деталей на выявление наличия возвратов на предыдущие позиции и необходимости пропуска позиций обработки.
Если возможности транспортной системы, реализованной в типовом СКР, удовлетворяют этим требованиям, то это решение принимается к дальнейшему рассмотрению, в противном случае - исключается. Здесь производительность транспортной системы не рассматривается.
Анализ маршрутов перемещения деталей в системе для выявления необходимости возвратных перемещений проводится в два этапа описанным ниже методом. Исходные данные по маршрутам обработки и структуре ОТО могут быть представлены в виде ориентированных графов Gz для каждого типа деталей i = 1...Z) из обрабатываемых в системе (JD — номенклатура деталей, рис. 14.15, а). Вершины графа представляют индивидуальные номера оборудования ГПС; j = 1...N, где N- число станков в системе. Каждому индивидуальному номеру j соответствует определенная модель станка. Ребра графа указывают направление передачи деталей с одного станка на другой, причем вершины, находящиеся на одном уровне, представляют группу взаимозаменяемых станков, выполняющих одну операцию. Исходной вершиной является позиция загрузки деталей в систему (Зг), конечной (выходной) - позиция разгрузки Р. Если деталь в процессе обработки нуждается в переустановке, то в граф вводится соответствующая вершина П.
Рис. 14.15. Схема преобразования графа транспортных связей
На первом этапе метода графы Gi объединяются в полный граф
транспортных связей G, отражающий все возможные варианты перемещений деталей между станками (рис. 14.15, б). Связи между вершинами графа
удобно представлять в виде матрицы смежности М = размерностью
(N +1) * (N +1) ; единица учитывает позицию переустановки. Му = 1, если со станка с индивидуальным номером i детали должны передаваться на станок/ Му = 0, если такой передачи нет. В общем случае Му Ф М/z, т.е. не обязательно существует обратное перемещение деталей.
481
На втором этапе проверяется возможность расположения вершин графа G в виде вектора транспортных связей W (рис. 14.15, в), причем элементы вектора И7 (к) интерпретируются с расположенными последовательно позициями ТСКР, в которых размещены станки с индивидуальными номерами j таким образом, чтобы выполнялось условие Mti =0 при j = И7(к); i = для всех тп = 1... к -1. Значит, из станка с индивидуальным номером у, размещенного в элементе вектора IV(k), должны исходить дуги только на станки, размещенные в следующих элементах вектора W, и нет возвратных ссылок на предшествующие элементы. Размерность вектора равна размерности матрицы ссылок М.
Если формирование вектора с соблюдением упомянутого условия возможно, то необходимости в возвратах деталей на предшествующие позиции нет. Если такая расстановка невозможна, то возвратные движения деталей неизбежны. Однако возможна ситуация, когда в векторе W, если отсутствуют обратные связи, размещаются все N станков, за исключением позиции переустановки. В этом случае помимо первой схемы возможно применение схемы IV, так как в ней обеспечивается повторное прохождение всех позиций после переустановки детали.
Для размещения станков по элементам вектора W разработан следующий алгоритм (рис. 14.16). Станки размещаются в порядке возрастания их индивидуальных номеров.
Размещаем станок №6 со связями
Рис. 14.16. Схема заполнения элементов вектора транспортных связей
Шаг I. При размещении очередного станка j (рис. 14.16, а) определяется наличие ссылки от него на размещенные ранее станки, начиная с первого элемента вектора W(1). Если такой ссылки нет, то станок размещается сразу за последним занятым элементом вектора в элементе И^(у), и на этом его размещение заканчивается. Если такая ссылка имеется (на станок 3 в элементе вектора IV(i) (см. рис. 14.16, а), то все станки, размещенные ранее, сдвигаются вправо на один элемент, начиная с IV(i). В освобожденный элемент W(/) заносится размещаемый станок j (рис. 14.16, б).
Шаг 2. Последовательно анализируются все элементы вектора - от последнего IV(у) до элемента IV(z), в который занесен станок с номером у.
482
Если из станка, размещенного в любом элементе	+	, есть
ссылка на размещаемый в данной итерации станок j, тогда станок из РК(к) размещается в элементе PK(z). Ранее размещенный в J^(i) станок j переходит в элемент PF(z + l), сдвигая вправо содержимое всех элементов - от W(i) до W(j -1) (рис. 14.16, в). При этом проводится проверка на отсутствие перекрестных ссылок, т.е. Mrl = 0, для I = и r = W(k), в противном случае, формирование вектора W невозможно.
Анализ маршрутов перемещения деталей в системе для выявления требования о необходимом пропуске позиций обработки осуществляется на основании двух условий. Первое заключается в формировании вектора транспортных связей W. Если такой вектор не может быть сформирован, то невозможно и осуществить движение без пропуска позиций ОТО, так как движение без пропуска позиций необходимо в конвейерных системах, для которых вектор W, безусловно, должен существовать. Если вектор был сформирован, за исключением позиции переустановки, то в этом случае имеется возможность движения палет без пропуска позиций по замкнутому конвейеру. При выполненном первом условии для определения возможности движения палет без пропуска позиций необходимо проанализировать ссылки между элементами вектора W. Станок у, помещенный в элемент вектора FK(z), должен ссылаться непосредственно только на станок к из элемента вектора РГ(/ + 1). При наличии других ссылок пропуск позиций обработки становится обязательным.
Определение емкости накопителя
В компоновочных структурах гибких производственных систем используется централизованный, децентрализованный и комбинированный способы накопления деталей. В ГПС обработки корпусных деталей в подавляющем большинстве случаев используется комбинированный принцип, когда у каждого станка установлен пристаночный накопитель малой емкости и имеется единый межоперационный накопитель на всю систему. Число позиций пристаночного накопителя определяется из условия полной загрузки обрабатывающего центра за счет совмещения времени доставки и удаления палеты с временем обработки. Как показывают исследования, при характерном для обработки корпусных деталей соотношении времени транспортирования к времени обработки (порядка 0,1), число позиций в пристаночном накопителе равно двум, что подтверждается анализом компоновок существующих ГПС. Пристаночный накопитель обычно выполняет также функцию перегружающего устройства с межоперационного транспорта на обрабатывающий центр. При этом первая позиция накопителя - позиция ожидания загрузки, вторая - удаления обработанной детали.
Центральный склад-накопитель выполняет две функции.
1. Оперативное хранение палет с деталями, ожидающими запуска на обработку вследствие разности времени выполнения отдельных операций и для компенсации неравномерности поступления деталей в систему. В
483
выполнении этой функции централизованный накопитель дополняет при-станочные накопители малой емкости.
2. Хранение палет с установленными деталями для автоматической работы системы в смену без обслуживающего персонала. Эта функция необходима только в том случае, если такая работа предусмотрена. При этом дополнительные места в накопителе для выполнения первой функции не требуются, так как в этом случае система замкнута с неизменным циркулирующим числом палет. Если загрузка новых деталей в систему предусмотрена в течение всех смен работы ГПС, то расчет требуемого числа позиций осуществляется только для выполнения первой функции.
При расчете емкости накопителя для выполнения им первой функции рассмотрим следующую модель ГПС. Обрабатываются заготовки М типов. Первой операцией является установка заготовки на палету на станки загрузки и запуск ее в систему на обработку.
Первую операцию проходят все детали, обрабатываемые в системе. Под длительностью первой операции будем считать время между запусками двух деталей в систему, т.е. средний такт запуска, при условии равномерного запуска деталей одного наименования в течение планируемого периода. Средняя длительность первой операции над деталью типа j имеет экспоненциальное распределение с параметром X •, где j = В системе имеется G групп взаимозаменяемых станков. Число групп и соответственно станков в группах определяется структурой ОТО; один станок может входить в состав различных групп g, g = как частный случай группа может состоять из одного станка. Детали каждого типа соответствует свой маршрут прохождения через станки различных групп. В такой постановке для расчета емкости накопителя можно использовать методику Ю. Лищин-ского.
При расчете емкости накопителя для выполнения им второй функции -долговременного хранения - можно предложить следующую простую формулу:
м
где К - емкость накопителя; Сбл - число смен с безлюдной работой; С -число смен работы ГПС в сутки; - календарное время работы в плановый период; Д - программа выпуска деталей z-ro наименования.
Формирование размещения типового структурно-компоновочного решения в производственной площади участка
В задаче размещения можно выделить следующие аспекты. Во-первых, необходимо определение принципиальной возможности размещения оборудования ГПС в соответствии с заданным типовым СКР на отведенной производственной площади. При этом следует учитывать реальные размеры оборудования и ряд ограничений на варианты размещения, а ТСКР должно оставаться неизменным. Во-вторых, при существовании та-484
кой принципиальной возможности размещения появляется необходимость формирования оптимального варианта размещения объектов ТСКР (и в первую очередь, оптимального размещения позиций ОТО по зонам, рис. 14.17) по некоторому критерию (критериям).
Сделаем формальную постановку задачи.
Область размещения Q (производственная площадь участка) определяется как многоугольник произвольной формы, ограниченный взаимопер-
пендикулярными отрезками. Один из отрезков, ограничивающих область размещения, является линией обмена грузопотоками между цехом и участком. Его положение определяется ранее, на этапе проектирования компоновки цеха. Линией обмена может быть часть отрезка, ограничивающего область размещения (см. рис. 14.17). В области
Рис. 14.17. Область размещения:
7 - линия обмена; 2 - запретная зона
Q имеются запретные зоны для размеще-
ния оборудования: сетка колонн, проемы в полу и т.п. Зоны запрета интер
претируются как прямоугольники произвольных размеров с двумя возможными ориентациями: вертикальной и горизонтальной.
Объекты размещения Т.
1.	Позиция основного технологического оборудования представляет прямоугольник, описанный вокруг станка с максимальными габаритами, при учете необходимых нормативных свободных зон вокруг станка (рис. 14.18). Очевидно, что в позицию, определенную таким образом, возможна установка любого из станков системы. Это допущение сделано на основе анализа габаритов станков, применяемых в ГПС обработки корпусных деталей. Анализ показывает, что многоцелевые станки различных фирм, предназначенные для обработки деталей одного габарита, имеют приблизительно одинаковые размеры. Кроме того, станки в ГПС занимают относительно большую площадь, чем на обычных участках, за счет расширения свободных зон, что допускает установку в одну пози
цию станков разных размеров.
2.	Транспортные линии представляют прямоугольник, длина которого равна необходимой длине линии, а ширина -габариту транспортного средства (с учетом свободных проходов вдоль линии). Если допустимо использование разных видов транспорта, то ширина принимается по максимальному значению. Для двусторон-
Рис. 14.18. Позиция размещения ОТО
485
них линий ширина удваивается (с учетом расстояния между прямой и обратной ветвью) (рис. 14.19, правая часть). Исключение представляет транспортная линия при обслуживании нескольких станков консольным роботом. В этом случае транспортная линия - окружность (рис. 14.19, б).
В макс.
свободные зоны
а
Рис. 14.19. Транспортные линии
3.	Позиции загрузки-разгрузки деталей в транспортную систему представляются прямоугольниками соответствующих размеров.
4.	Позиции накопителей или складов также представляются в виде прямоугольников. Размеры определяются на основании числа позиций хранения, размера позиции и числа рядов - один или два.
Возможные варианты размещения заданы следующей системой ограничений R:
R1	- невыход элементов Т за границы области размещения;
R2 - непересечение размещаемых элементов Т с запретными зонами области размещения.
R3 - соблюдение нормативных расстояний между границами участка и размещаемыми объектами, а также между объектами. Очевидно, что выполнение данного ограничения обеспечивается принятым представлением размещаемого оборудования, в размеры позиций которого заложены нормативные свободные зоны.
R4 - сохранение при размещении неизменной геометрической структуры ТСКР. В пределах неизменности ТСКР возможны различные варианты размещения позиций ОТО по зонам (см. рис. 14.17) при допущении определенных деформаций в пространстве транспортной сетки за счет варьирования длины транспортных линий при их неизменном взаиморасположении.
R5 - возможны четыре ориентации СКР относительно области размещения - начальная и с поворотом на 90, 180, 270 градусов. Для ТСКР может также существовать и зеркальное отражение.
R6 - ограничение на доступность линии обмена грузопотоками. Должна существовать прямая, перпендикулярная к линии обмена грузопотоками, проходящая от этой линии до позиции загрузки-разгрузки системы и не пересекающая при этом размещаемых объектов (рис. 14.20).
Выбор принципа оптимальности размещения
Рис. 14.20. Доступность линии обмена грузопотоками: оборудования в производ-а - доступна; б - недоступна	СТвенноЙ площади при за
486
данных ограничениях определяется следующими положениями. Целевым назначением многономенклатурной системы является выполнение заданной программы при минимальных затратах и с учетом ограниченности ресурсов. В большинстве работ рекомендуется как достаточно эффективная оценка сравниваемых вариантов по минимальной величине приведенных затрат (П)
П=С+КхЕ,
где С - себестоимость; К - капитальные затраты; Е - коэффициент приведения.
Рассмотрим составляющие в общей структуре приведенных затрат, зависящие от варианта размещения оборудования на производственной площади участка, с учетом достигнутой степени детализации проекта ГПС. Капитальные затраты (К):
31	- затраты на приобретение транспортных средств;
32	- затраты на монтаж транспортных средств;
Зз	- стоимость производственной площади;
34	- стоимость палет.
Себестоимость (С):
35	- расходы на содержание и эксплуатацию транспортного оборудования;
36	- цеховые расходы.
Теперь рассмотрим отдельно статьи затрат и их связи с критериями, являющимися функцией варианта размещения оборудования.
31	- затраты на приобретение транспортных средств. Очевидно, что при различном размещении оборудования ГПС будет различной длина транспортных связей в системе. Если применен дискретный вид транспорта (тележки), то при неизменном ТСКР их число и соответственно общая стоимость прямо пропорциональны суммарному пробегу за планируемый период работы: - 1Ъп, где /Ьг - функция варианта размещения оборудования, м/смену, м/месяц и т.п. Для непрерывного транспорта (конвейера) стоимость транспортной системы будет равна суммарной стоимости конвейеров, ее образующих. Стоимость одного конвейера Зкн прямо пропорциональна его длине £кн, которая является функцией варианта размещения: У Зкн ~У Ьтл . С другой стороны, стоимость конвейера прямо про
порциональна суммарному пути транспортного средства (логичнее говорить о перемещении деталей, так как конвейер не перемещается), поскольку, чем больше суммарный путь конвейерной системы, тем больше должна быть ее производительность, и следовательно, эта система более дорогая;
32	- стоимость монтажа транспортных средств (конвейеры, прокладка кабеля для тележек и т.п.) прямо пропорциональна суммарной длине транспортных линий: 32 ~У £тл ;
Зз - стоимость производственных площадей. Хотя в принципе пло
487
щадь участка уже определена, «хорошее» размещение оборудования позволит сэкономить занимаемую ГПС (участком) производственную площадь. Очевидно, З3 - S-
34 - стоимость палет для установки деталей. Общее число палет определяется числом их, находящихся на станках в обработке, хранящихся в накопителях, и дополнительным числом палет, находящихся в процессе транспортировки. Обычно это дополнительное число палет можно скомпенсировать за счет уменьшения их числа в межоперационных накопителях. Однако когда это невозможно, число дополнительных палет (и их стоимость) пропорционально суммарному пути транспортного средства:
35 - расходы на содержание и эксплуатацию транспортного оборудования. Величина данных затрат находится в пропорциональной зависимости от числа транспортных средств и соответственно - от их суммарного пути: 35
Зб - цеховые расходы на поддержание в надлежащем порядке площади участка (включая освещение, вентиляцию и т. п.) прямо пропорциональны площади участка: 36 ~ S.
Для более корректного сравнения вариантов дополнительно к приведенным затратам необходимо прибавить разницу в затратах на незавершенное производство З7. Величина связанных в незавершенном производстве средств, приходящаяся на одну деталь, прямо зависит от времени ее нахождения в системе (цикла). Как известно, длина цикла зависит и от времени транспортировки детали в системе, а оно, в свою очередь, является функцией варианта размещения и пропорционально суммарному пути транспортных средств: 37
Анализируя статьи затрат, можно заметить, что затраты З2 минимальны при обращении в минимум суммарной длины транспортных линий в системе:
32 -> min, если	(14.30)
Величина затрат по статьям 3ij4>5j7, как очевидно, минимальна при обращении в минимум суммарного пути транспортного средства
314 5 7 -> min, если 1Ъп ->min.	(14.31)
Суммарный путь транспортного средства является функцией расстановки оборудования на площади участка и зависит от двух факторов: длины транспортных линий (LT л) системы (определяется вариантом размещения обезличенных позиций ОТО в производственной площади, т.е. геометрической задачей) и интенсивности перемещения деталей между позициями (определяется распределением конкретного оборудования по обезличенным позициям).
Таким образом, для определения значения критерия требуется решить задачу распределения ОТО по позициям. Для того, чтобы сравне
488
ние вариантов было конкретным, такое распределение для каждого варианта должно быть оптимальным. При этом можно заметить, что такая задача не связана напрямую с задачей геометрической расстановки. Это делает достаточно трудоемким определение значения критерия (14.31) и неприемлемо для оценки большого числа вариантов. Для оценки можно использовать один фактор £Ттл, однако в общем случае это неверно, так как различные варианты размещения с одинаковым ^Гтл могут иметь различный суммарный путь транспорта L^. В первую очередь это выявляется для вариантов с различными комбинациями позиций станков по зонам (см. рис. 14.7).
Учитывая приведенные выше соображения, для обоснованного выбора варианта размещения оборудования рационально использовать упрощенный критерий, охватывающий оба фактора - как длину транспортных связей, так и интенсивность перемещения деталей по ним, т. е. суммарную длину пути обслуживания всех станков в системе:
(14.32) /=1
где п - число станков в системе; £3/ - длина кратчайшего пути от позиции загрузки к станку z; Zp/ - длина кратчайшего пути от станка к позиции разгрузки.
Оценка по этому критерию исходит из предположения равновероятного распределения деталей по станочным модулям в процессе обработки. Такое предположение верно, как показывает анализ, для большинства ГПС обработки корпусных деталей. Величина ZE0 является функцией варианта размещения и достаточно легко определяется.
Для статей затрат 3 и 6, прямо зависящих от величины производственной площади участка, можно отметить, что они косвенно зависят от величин ZL0 и ^£тл, т. е. чем меньше значение этих величин, тем (в большинстве случаев) меньше и площадь участка 5^. Кроме того, необходимо учитывать, что в принятой концепции проектирования площадь под участок выделена, и задача ее экономии не стоит. Однако критерий
S^-tmin	(14.33)
возможно использовать как дополнительный к главному.
Учитывая все вышесказанное, в качестве основного критерия оптимальности примем (14.32), а критерий (14.33) используем как дополнительный при неразличимости вариантов по основному критерию.
Анализируя постановку задачи, систему ограничений и выбранный критерий оптимальности, можно сделать вывод, что поставленная подобным образом задача является задачей размещения связанных объектов. Точных методов решения задач такого класса не существует, неэффектив
489
ны методы полного перебора из-за большого числа вариантов и методы случайного поиска из-за большого числа ограничений. Ввиду того, что задачи размещения относятся к трудноразрешимым, не существует и универсальных методов их решения, одинаково хорошо приложимых к различным предметным областям. Поэтому необходима разработка методов, учитывающих конкретные особенности проектируемого объекта.
Исходя из этих соображений, был принят метод решения поставленной задачи, основанный на ограниченном переборе вариантов размещения. При его разработке особое внимание было уделено структурной зависимости размещаемых объектов (ограничение R4). Для ограничения числа рассматриваемых вариантов размещение оборудования осуществляется не отдельными объектами, а геометрически связанными группами: Г (рис. 14.21, а). В такую группу входят один или несколько рядов ОТО (см. определение ТСКР), обслуживающие их транспортные линии с возможны-
Рис. 14.21. Выделение в ТСКР групп размещаемых объектов
ми разветвлениями и часть позиций вспомогательного оборудования. Основанием для включения нескольких рядов ОТО в одну группу является взаимозависимость их габаритных размеров (длины) из-за наличия совместных поперечных транспортных линий (рис. 14.21, б). Группа i характеризуется следующими геометрическими параметрами: минимальной шири-
Рис. 14.22. Размерная структура группы объектов K[j
ной Вп, являющейся инвариантной, и длиной Ln, зависящей от числа позиций ОТО, размещаемых в зонах. Внутри группы существует относительная координатная привязка элементов j в направлении, перпендикулярном к ряду основного оборудования:	(рис. 14.22).
490
Возможно образование групп, не включающих позиции ОТО, а состоящих только из транспортных линий, позиций накопителей и загрузки-разгрузки. Такие группы имеют фиксированные значения габаритных размеров.
Транспортная связь между группами осуществляется через одну или несколько совместных транспортных линий (см. рис. 14.21). В рамках ТСКР допускается относительная независимость расположения групп объектов, ограниченная допустимым расположением совместных транспортных линий. Совместная транспортная линия может иметь любую длину и ' смещение на участке между двумя развилками.
На первом этапе предлагаемого метода определяются возможные подобласти размещения групп объектов Д в области О. Для этого в области Q выделяются подобласти Д/А. в виде полос шириной Blk, допускающей размещение соответствующей группы Д, т. е. Bik < Вп (рис. 14.23)
A ik	\ $ik’ ^ik’ ^ik /'
Длина подобласти Lik определяет максимально возможную длину группы и, соответственно, наибольшее число позиций в рядах основного оборудования. Подобласть имеет координатную привязку к области размещения Kik. Число подобластей TVA/ для каждой из групп
Рис. 14.23. Выделение подобластей размещения
оборудования i определяется конфигурацией Q и допустимым взаимным расположением групп.
Итак, область размещения
для группы Д представляется как множество подобластей

Подобное разбиение проводится для всех групп объектов:
Q = {Ц, i = \...Nk }.
На втором этапе метода формируются допустимые варианты распределения числа позиций ОТО NOTO по рядам	l..Wep}. Каждый
вариант определяется как совокупность:
где KQik - координата группы Гк относительно области Q; 77ру - число позиций в ряду j.
491
Ограничения на формирование следующие: 1) минимальное число позиций ОТО в ряду равно числу зон, составляющих ряд (по определению ТСКР); 2) максимальное число в раду ограничено условием Lk <Lk.
Величину Lk определяют на основании занятой подобласти размеще
ния &к. При этом принято соглашение, что сначала группа Гк занимает самую нижнюю подобласть. Если ее длины £Л не хватает для размещения нужного числа позиций, то просматривают следующие подобласти А снизу-вверх, при этом проверяя, не заняты ли они ранее другими группами. Если длины ни одной из полос не хватает для размещения, то такой вариант JTp отбрасывается. В противном случае определяют координату К^к как минимально возможную в данной подобласти.
Подобный принцип размещения, хотя и не гарантирует минимальности занятой площади, позволяет размещать оборудование достаточно ком
пактно.
Следующие этапы выполняют для каждого варианта из множества И^Р-
На третьем этапе формируют множество вариантов распределения позиций ОТО по зонам обработки W3
^={ПЗУ,7 = 1...#3},
где ПЗу - число позиций ОТО в зоне у.
Ограничением на формирование служит число позиций для каждого из рядов, определенное в варианте Wpi:
где Nr - число зон в ряду г.
Последовательно для каждого сформированного варианта преобразу-
ЛхЭ
Рис. 14.24. Схема координатной привязки
ют относительные координаты объектов i группы j - в абсолютные, связанные с областью размещения:
KQi=Kcv+K[j.
Затем определяют полные координаты транспортных линий (Кп - координата положения, Кн - начала, Кк - конца, рис. 14.24) путем расчета точек пересечения двух линий или на
492
основе координат граничных обслуживаемых позиций ОТО. При этом проверяют выполнение ограничений R2, R3, R4, R6.
Для оценки сформированного варианта размещения ТСКР определяют значения критериев (14.32) и (14.33). Для вычисления основного (14.33) -суммарной длины обслуживания граф транспортных связей ТСКР - G (см. рис. 14.11) модифицируют путем добавления вершин и ребер, обозначающих введение позиции ОТО (рис. 14.25). Определить составляющие и Др
в критерии ZE0 можно путем нахо
ждения кратчайшего пути на графе G между соответствующими вершинами. Веса дуг в графе соответствуют расстояниям между позициями и легко находятся из рассчитанных координат транспортных линий - Кп, К„, Кк. Для нахож-дения кратчайшего пути (случай с неотрицательными весами наиболее подходит алгоритм Дейкстры. Сложность алгоритма ~ п2, где п -число вершин в графе. В нашем
Рис. 14.25. Модификация графа транспортных связей:
а - позициями с последовательным обслуживанием; б - позициями с параллельным обслуживанием
случае вычисления необходимо повторить N0T0 +1 раз. Поскольку число позиций ОТО (W0T0) в ГПС обычно невелико (^Ото<20), то расчетная
сложность критерия невысока.
Значение критерия (14.33) - фактически занимаемая площадь легко определяется по граничным координатам размещенных объектов.
На основании полученных значений критериев текущий вариант размещения
сравнивается с полученным ранее. Менее предпочтительный отбрасывается; оставшийся будет базой для сравнения при формировании последующих вариантов. Оставшийся вариант размещения после просмотра вариантов W3 и W? будет принят как оптимальный.
Очевидно, что все перечисленные этапы необходимо реализовать для различной ориентации ТСКР относительно области размещения Q (ограничение R6). Однако по соображениям упрощения алгоритмов рациональнее сформировать варианты отображения площади (с поворотами и зеркальные) и уже в них размещать ТСКР при неизменной ориентации в пространстве.
Заключительные этапы формирования проектного решения
Полученное на предыдущих этапах проектное решение (вариант ТСКР) требуется доопределить путем закрепления единиц основного технологического оборудования за конкретными позициями установки (расстановка оборудования) и определения моделей транспортных средств.
493
Задача расстановки оборудования может быть формализована и сведена к квадратичной задаче о назначениях, где в качестве критерия используется функция суммарной длины перемещений деталей в плановом периоде. Для решения задачи можно использовать точные методы (например, ветвей и границ - для размерностей до 8-12 позиций установки) или приближенные, дающие несколько субоптимальных решений (например, «метод замещений»). Параметры целевой функции рассчитываются на основе данных о технологии изготовления деталей производственной программы и графа транспортных связей ТСКР (граф G).
Задача определения моделей транспортных средств возникает при наличии более чем одного варианта моделей от различных фирм-изготовителей. В этом случае решение задачи выбора требует проработки конкурирующих вариантов до уровня бизнес-плана, в соответствующих разделах которого определяются и обосновываются технические, экономические и иные существенные оценки проектных вариантов. Особенности подготовки и анализа бизнес-планов, которые могут включать в себя, в частности, сложные процедуры прогнозов по ценам, тарифам и параметрам экономической ситуации, являются, как правило, know-how фирмы-разработчика бизнес-плана. В качестве общего подхода к сопоставлению проработанных до уровня бизнес-плана вариантов может использоваться критериальноцелевая модель выбора проектных вариантов решений на базе бинарной критериальной структуры (рис. 14.26, 14.27), позволяющая упорядочить сопоставление вариантов и включить в процедуру сравнения слабоформа-лизуемые оценки.
Рис. 14.26. Критериально-целевая модель выбора проектных вариантов
494
Номер страты проектного Варианта
Рис. 14.27. Бинарная критериальная структура
14.4.	Принципы организации САПР ГПС.
Концепция реализации
Особенностью САПР ГПС как программного комплекса является необходимость наличия в ее составе мощного слоя инструментальных средств, позволяющего дорабатывать, видоизменять существующие программные компоненты и включать новые. Инструментарий, позволяющий поддерживать высокую динамику разработки, строится на базе современных объектно-ориентированных средств, ядром которых является среда Smalltalk. Для платформы PC/MS-DOS/Windaws - совместимых машин этот набор средств Smalltalk/V Windows + WindowsBuilder Pro + Subpanes/V + Object Base, которые в совокупности дают в руки разработчика отработанную систему базовых классов Smalltalk, средства для визуального программирования пользовательского интерфейса, объектно-ориентированную базу с широкими возможностями индексации. Все средства являются равноправными компонентами единой среды, и взаимодействие между ними осуществляется естественными средствами обмена сообщениями с аргументами.
Технологическим университетом Станкин совместно с Институтом конструкторско-технологической информатики РАН реализуется проект разработки САПР ГПС в рамках обучающей системы «Универсал», которая включает в себя гипертекстовую информационную базу, способную функционировать в локальной сети в режиме мультидоступа и обеспечивающую (помимо традиционного гипертекстового перехода по ссылкам) режимы доступа к данным по каталогам, через запросы по образцу и по ключевым словам. Текстовые фрагменты в системе «Универсал» даны в Т/ТЛ/Г-формате и представляют собой обогащенные тексты с включением изображений, формул, ссылок на функциональные компоненты в виде расчетных таблиц, процедур конструирования (редактирования), оценки и выбора проектных вариантов.
495
Система «Универсал» позволяет создавать «электронные курсы», содержащие multimedia-компоненты - иллюстративное видео, демонстрирующее технические принципы действия, показывающие соотношения понятий и раскрывающие смысл вводимых понятий. При этом поддерживается необходимый баланс абстрактно-логического и чувственного при освоении учебного материала и необходимой справочной информации.
Электронные курсы и справочники создаются в системе «Универсал» на базе первоисточников, в качестве которых используются переводимые на машинные носители тексты учебников, пособий, монографий. Курс строится на основе выдержек из первоисточников с добавлением оригинальных текстовых фрагментов (если это необходимо). При этом образуются «горизонтальные» связи в дополнение к «вертикальным», формирующиеся структурными связями внутри самого первоисточника и «внешними» связями - ссылками между первоисточниками.
Особенностью системы «Универсал» является наличие режима Адаптивного обучения™ который увязывает в единое целое собственно систему обучения и систему контроля знаний. На основе предварительной полуавтоматической обработки формируется система зависимостей, которая позволяет генерировать экспресс-курс для пользователя по результатам тестирования и по информации о его активности в сеансах обучения (история активности). Экспресс-курс позволяет сконцентрировать внимание на неудовлетворительно усвоенных фрагментах, обладает достаточной полнотой и необходимыми «внешними» связями.
Система автоматизации, поддерживающая работы по созданию проекта ГПС, предназначена для эксплуатации в полном объеме в рамках отраслевой организации; отдельные проектные комплексы из ее состава могут использоваться на предприятиях и «инжиниринговых фирмах» (рис. 14.28).
Задание на проектирование

САПР-Т
Технологический редактор
Система Ведения БД "Изделия
БД , “Изделия (ЛВазед)
I 'Загрйзкд В>Д
I “Изделия"
САПР-Т: Выгрузка загрузка
Технологический Треоактор: [выгрузка и [загрузка
Архив “Изделия
АрхиВ Технологии
'030: Вход 'Ихнологии"
ВЗО; бхо "Изделия
ведомость загмзки оворуМания расчет, просмотр, печать
АРМ: анализ ОТО. планировка
АРМ--моделирование экономический анализ
АРМ: заявки на оборудование
Рис. 14.28. Мнемосхема подсистем САПР ГПС на экране дисплея
496
Процедуры формирования вариантов проектных решений (ПФПВ) могут быть реализованы как преимущественно автоматические или диалоговые. Последние можно разделить на требующие вмешательства проектировщика при автоматическом формировании проектных вариантов (ПВ) -диалоговые 1-го рода и предполагающие непосредственное формирование проектировщиком ПВ - диалоговые 2-го рода.
Преимущественно автоматические ПФПВ требуют следующих видов взаимодействия с проектировщиком:
1.	Выбор метода - система предъявляет и, возможно, кратко характеризует методы формирования ПВ, проектировщик выбирает один из них.
2.	Настройка параметров метода - выбор модификации метода и констант (например, вид критерия останова, параметры критерия останова, параметры шага при использовании оптимизационной процедуры для порождения ПВ). Требуется запоминание выбора и сведений о применении метода (в каких проектах применялся, настроечные параметры, интегральные показатели качества множества сформированных ПВ, временные затраты и др.).
3.	Доступ к сведениям о применении (об эффективности использования в предшествующем применении).
4.	Отображение динамики формирования ПВ - по мере построения ПВ на отображающем устройстве (дисплей) проявляется видеообраз ПВ и (или) его параметры.
Способы взаимодействия с проектировщиком диалоговых ПФПВ 1-го рода определяется спецификой используемого метода формирования ПВ. Можно наделить следующие типы взаимодействия. Система в процессе синтеза очередного проектного варианта информирует проектировщика о вариантах следующего шага и его прогнозируемых последствиях, после чего запрашивает указание на выбор варианта выполнения шага. При следующем типе взаимодействия запрашивается не вариант выполнения, а параметрическая настройка шага. Во всех случаях взаимодействие укладывается в итерационную схему: предъявление вариантов действия - прогноз последствий вариантов - запрос на выбор варианта (параметра) действия.
Взаимодействие для диалоговых ПФПВ 2-го рода фактически сводится к доступу проектировщика к фрагменту информационной модели, содержащей формируемый ПВ. Требуются высокоэргометрическая организация доступа (быстрый переход от одной составной части фрагмента к другой, мнемоничное отображение на экране дисплея) и сопровождение процесса доступа средствами обращения нормативно-справочной информации.
Процедуры анализа и моделирования в САПР являются средством получения критериальных оценок проектных вариантов и средством определения элементов структурированных проектных решений, наиболее сильно влияющих на те или иные критериальные оценки (процедуры анализа 2-го рода).
Процедура оптимизации является вариантом процедуры оптимального выбора решения, в которой выбор осуществляется не из исходного множества полностью сформированных альтернатив (ИМА), а одновременно с синтезом ПВ на основании входного описания (например, в виде области допустимых значений или алгоритма синтеза).
497
Процедуры анализа 1-го рода и оптимизации являются преимущественно автоматическими. Для включения в проектную деятельность требуются возможности взаимодействия с проектировщиком, аналогичные автоматическим процедурам формирования вариантов проектных решений. Для процедур анализа 2-го рода требуется дополнительно высокоэргономичное представление вариантов проектных решений:
мнемоничное отображение составных частей структурированного проектного решения на экране дисплея;
варьирование степенью укрупнения представления и быстрый переход от одной части к другой;
представление результатов анализа в виде столбцовых диаграмм, графиков и др.
Для процедур оптимального выбора требуется, как правило, солидная диалоговая поддержка, сильно зависящая от специфики выбранного метода. Компоненты интерфейса следующие:
представление проектных вариантов (отображение структуры проектного варианта и критериальных оценок);
отображение предпочтений на множестве проектных вариантов (по группам критериев и интегральная оценка - стратификация исходного множества).
Эффективное включение САПР в деятельность проектировщика требует визуального отображения информационной модели проекта ОТО. Для визуализации параметрической компоненты используют:
графическое отображение функциональных зависимостей и соотношений (графики, столбцовые и круговые диаграммы, гистограммы);
табличное отображение связей, отношений, функциональных зависимостей, критериальных оценок.
Список сокращений
В ЗП ЗТП ИМА КР ОЗпото ОСО осп
ото оц
п ПВ по ПОТО птп РОО св
-	прием (вспомогательное движение рабочего органа)
-	задание на предварительное проектирование
-	задание на типовое проектирование
-	исходное множество альтернатив
-	компоновочное решение
-	общая задача ПОТО
-	определение состава оборудования
-определение (задача) состава производственных подразделений
-	основное технологическое оборудование
-	обрабатывающие центры (группа)
-	переход
-	проектный вариант
-	проектная операция
-	подсистема основного технологического оборудования
-	проектные технологические процессы
-	распределение (задача) объектов обработки
-	сверлильные станки (группа)
498
СКР	- структурно-компоновочное решение
СТО	- средства технологического оснащения
ТирСКР - тиражируемое структурно-компоновочное решение (типовое решение, промышленно-апробированное)
ТЛ	- транспортная линия
ТМО	- теория массового обслуживания
ТП	- технологический процесс
ТСКР	- типовое структурно-компоновочное решение
У	- операция (установ)
УП	- управляющая программа
ФТП	- фрагмент технологического процесса
Э	- этап обработки; элемент компоновки
ЭО	- элемент обработки
ЭОП 4 - элементарная обрабатываемая поверхность
ЭТМ	- элементарный технологический маршрут
R	- связи взаимного расположения элементов
S	- схема сети транспортного обслуживания
W	- возможные виды транспортных средств
Глава 15.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВ
15.1. Основы моделирования
Задачи моделирования
Современные производства (ПР) характеризуются высокой сложностью, разнообразием и частой сменяемостью протекающих в них производственных и технологических процессов. Наибольшую прибыльность таких систем можно обеспечить за счет эффективности принятия решений при их создании и эксплуатации. Для этого нужны точные научно обоснованные методы анализа и синтеза производственных систем и протекающих в них процессов.
Существующие методы в виде нормативных правил, объемных расчетов основаны на ряде упрощающих допущений и предположений реальных производственных ситуаций. При проектировании это приводит к завышению расчетной производительности и потребностей в производственных ресурсах, при эксплуатации к неоптимальному использованию имеющихся ресурсов, созданию неоправданных резервов, большому объему незавершенного производства.
Один из наиболее прогрессивных методов исследования производственных систем - моделирование. Этот метод широко используется на всех этапах проектирования и управления, что приводит к необходимости разработки и исследования разнородных моделей и применения различных методов моделирования.
Основными особенностями применения моделирования к анализу и синтезу производств являются:
учет всей совокупности процессов, отражающих деятельность предприятия на всех этапах его жизненного цикла;
использование, кроме моделей и систем моделирования, инструментальных программных средств и сред их создания;
использование новейших направлений моделирования, связанных с интеллектуализацией систем моделирования.
Проведение исследований на натурных объектах обладает существенными недостатками. Полученные при этом характеристики и зависимости относятся только к определенному моменту функционирования ПР, к определенной структуре и узкой области изменения параметров. Расширение области исследований невозможно без нарушения планового протекания производственного процесса. Проектируемые ПР, как правило, не имеют своих уже функционирующих аналогов. Наблюдения над реальной системой позволяют в лучшем случае получить материал для проверки гипотезы.
Машинное моделирование дает значительно больше для исследователя. Ни одна модель не может отражать всех свойств моделируемого объекта, но, создавая модель, исследователь строит формальное описание объекта в соответствии с поставленными целями, задачами и возможностями. Анализируя через поведение модели поведение системы, исследователь может анализировать свойства объекта, его характеристики, условия функционирования в более широкой области, чем при анализе действующих производств.
500
Возможность моделирования ПР основана на том, что они являются объектами искусственного происхождения, образ которых, т.е. фактически их модель, создается исследователем до создания реального объекта. Задача состоит в том, чтобы формализовать описание этого образа.
Моделирование при разработке и анализе ПР имеет различное конечное назначение:
экспертная оценка качества функционирования полученного окончательного проектного решения ПР;
выбор наилучших решений структур, параметров систем, алгоритмов управления при проектировании ПР и их систем;
определение оптимальных маршрутных технологических процессов при изготовлении одного изделия или группы изделий;
определение работоспособности принимаемых решений и наличие критических ситуаций;
определение и оценка показателей функционирования спроектированной системы;
оценка динамики функционирования системы на определенном отрезке времени (например, начальном периоде или после переналадки) при изменении параметров системы;
проверка адекватности одной модели по результатам моделирования на другой;
формирование рабочей модели по результатам моделирования исследовательской модели;
экспериментальное исследование взаимодействий и логики функционирования подсистем АПС;
использование имитации для обучения персонала.
Применение моделирования действующих производств позволяет определить границы работоспособности системы, возможность возникновения аварийных, тупиковых ситуаций, предотвратить возможность появления таких ситуаций в реальном производстве. При эксплуатации ПР моделирование позволяет прогнозировать результаты управления и на этой основе выбирать лучшее при наличии случайных отклонений производственного процесса от планового.
Применение моделирования полезно для создания перспективных ПР, их структур, компоновок, организации их производств. Моделирование на этапах проектирования позволяет избежать значительных потерь от создания неэффективных производств, производств, допускающих непредсказуемые последствия в экстремальных ситуациях, подтвердить правильность проектных решений, находить наиболее рациональные с точки зрения конечного результата решения (технологические, технические, организационные, управленческие). В связи с этим моделирование ПР является необходимым этапом проектных работ, а при пуске каждого предприятия целесообразно иметь и ее проверенную на адекватность модель.
В технологии моделирования можно отметить два аспекта. С одной стороны, для создания эффективных систем моделирования требуется разработка сложного программно-математического обеспечения, что является прерогативой специалистов-математиков высокого класса. С другой стороны для разработки прикладных моделей, целенаправленного проведения экспериментов, их планирования, настройки моделей на решение конкретных задач, анализа результатов моделирования и коррек
501
тировки планов проведения экспериментов требуются глубокие знания прикладной области.
Современное развитие технологии моделирования направлено на создание такого аппарата, которым самостоятельно может пользоваться специалист в проблемной области; например, в области проектирования и исследования ПР. Но для этого он должен помимо обычного знания прикладных задач хорошо знать и владеть методами моделирования, знать особенности и характеристики различных систем, быть знакомым с математическими и технологическими принципами их построения, владеть технологией проведения машинных экспериментов на ЭВМ и научными методами обработки результатов экспериментов.
Компьютерно-интегрированные производства
По проблемам автоматизации производств имеется большое количество литературы, выпущены нормативные документы и стандарты, в том числе и терминологические. Однако устоявшихся понятий, терминов, обозначений ни в России, ни в мире не существует, что часто приводит к разному пониманию существа вопросов. С целью устранения неясностей мы будем придерживаться терминологии, приводимой в тексте.
Под КИП мы будем понимать производственную систему на уровне цеха, предприятия, виртуального предприятия, в которой все операции с информационными потоками по всем этапам производственной деятельности предприятия (ПДП) автоматизированы на основе компьютерных технологий. При этом материальные потоки могут быть, как автоматизированы так и не автоматизированы.
КИП состоит из (рис. 15.1): производственно-технологического комплекса (ПТК), производственно-строительного комплекса (ПСК), автоматизированных систем: подготовки производства (АСПП), системы оперативного управления (СОУ), управления производством (АСУП).
Оперативное управление ПТК осуществляет система оперативного управления (СОУ), функциональными задачами которой являются: оперативное планирование; диспетчерское управление; управление основным и вспомогательным оборудованием. ПТК вместе с СОУ образуют автоматизированную производственную систему (АПС).
Совокупность всех систем подготовки и управления образуют интегрированную систему автоматизации (ИСА) производственной деятельности предприятия. На современном уровне автоматизации такая система обязательно включает элементы интеллектуализации и определяется как интеллектуальная корпоративная информационная система (КИС) управления ПДП.
В зависимости от уровня автоматизации АПС могут быть совокупностью отдельных станков с ручным управлением или СЧПУ, совокупностью гибких производственных модулей, ячеек, автоматических линий или, наконец, гибкой производственной системой (ГПС). ГПС - переналаживаемая автоматизированная производственная система, в которой реализована комплексная автоматизация как информационных, так и материальных потоков на уровне производственного участка, линии, ячейки.
Современное предприятие в своей деятельности связано со многими другими предприятиями: смежниками, изготовителями и поставщиками комплектующих изделий, заказчиками и другими. Время согласования с
502
КИС (ИСА)
Рис. 15.1. Состав КИП
ними производственных вопросов влияет на общее время выполнения заказа, а его уменьшение требует в первую очередь автоматизации общих информационных потоков. Такая совокупность организационно самостоятельных предприятий, но информационно связанных между собой для выполнения определенных заказов, представляет собой виртуальное предприятие (ВП). Для создания нового, особенно сложного наукоемкого изделия, необходима первоначальная разработка модели, реализующего его ВП. Она должна включать все необходимые ресурсы для его создания и состав производств, предприятий для их реализации.
Представление и описание производственных данных
Для того чтобы обеспечить интеллектуальную поддержку всех производственных функций предприятия, необходимо разработать большое количество моделей. На рис. 15.2 показано, что задачи моделирования определяются: этапом жизненного цикла изделия (ЖЦИ), иерархическим уровнем ПР, главной функцией задачи (ГФЗ). Под ГФЗ мы будем понимать те основные функции, которые должны выполняться в процессе решения задачи для достижения конечного результата. В состав ГФЗ входят функции информационной поддержки реализации этапа: проектирование, планирование, управление, исследование, поиск и хранение.
Для создания КИС предприятия нужно в первую очередь обеспечить единство представления производственных данных и знаний и обмена ими. В настоящее время существует ряд методов представления: STEP, РДО и др. Однако по ряду причин они не могут в полной мере отвечать требованиям и принципам создания КИС предприятия. Ниже приводится описание метода представления и описания данных и знаний ОРП (объект - ресурс -переход).
503
123456789
Этапы ПЦИ
Иерархические уровни производства
1.	Виртуальное предприятие
2.	Базовое предприятие
3.	Цех
4.	Участок, линия
5.	ГПЯ
6. ГПМ
7. ТС
ГФЗ
1.	Проектирование
2.	Планирование
3.	Управление
4.	Поиск и хранение
5.	Исследование
Этапы ПЦИ
1.	Маркетинг
2.	Проектирование изделия
3.	Проектирование технологии
4.	Материально-техническое обеспечение
5.	Производство
6.	Контроль
7.	Испытание
8.	Хранение и укупорка
9.	Сбыт
Рис. 15.2. Модели производственной деятельности предприятия
Жизненный цикл изделия (ЖЦИ) включает этапы:
1.	Маркетинг
2.	Проектирование изделия
3.	Проектирование технологического процесса
4.	Материально-техническое обеспечение
5.	Планирование
6.	Производство
7.	Контроль и испытания
8.	Укупорка и хранение
9.	Сбыт
10.	Эксплуатация
11.	Утилизация
Реализация этапов 1-9 применительно к изделию представляет производственный цикл изделия (ПЦИ). Процесс реализации этапа - производственную процедуру. Совокупность действий на предприятии, направленная на выполнение, обеспечение всего портфеля заказов - производственная деятельность предприятия (ПДП).
С точки зрения функционирования ПР любого уровня рассмотрения можно представить как автономную структуру, взаимодействующую с 504
внешней по отношению к ней средой через процедуры «Получить» (заказ на изделие, инструмент, станок и т.п.) и «Выдать» (изделие, техническую документацию, отходы производства, полуфабрикат и т.п.).
Реализация производства требует синхронного движения потоков: материального, информационного, кадрового, финансового, энергетического. Для создателей систем автоматизированного управления наиболее важно обеспечить синхронность управления первыми двумя потоками.
Элементы ПДП в методе ОРП:
Объект ПДП	(О)
Ресурсы производства	(Р)
Переходы	(П)
К объектам относится все, что является предметом реализации главных функций применительно ко всему производственному процессу или к его отдельным процедурам. Объект - это предмет производственной деятельности. Объектами могут выступать: изделия основного или вспомогательного производства, техническая документация, управляющие программы, система проектирования (при ее создании или исследовании), информационная модель (при ее разработке), станок (при его выборе) и т.п.
Объект определяется своими внутренними и внешними характеристиками. Последние могут быть независимыми от обобщенного времени или шага решения задачи (постоянные), зависеть от текущего значения обобщенного времени (текущие характеристики) или от всего процесса до рассматриваемого времени (интегральные характеристики).
Ресурсы - это все то, чем, с помощью чего совершаются действия над объектом. Ресурсы могут быть информационными, материальными, кадровыми, финансовыми, энергетическими. Мы отмечали, что управлению в основном подлежат информационные и материальные ресурсы, поэтому рассматривать мы будем только их. Ресурсы, в зависимости от необходимости транспортирования их в процессе производства, разделяют на базовые ресурсы (РБ) и переменные ресурсы (РП). Базовые ресурсы могут быть основными и вспомогательными. К основным ресурсам относится, например, технологическое оборудование, к вспомогательным ресурсам - загрузочные промышленные роботы, робокары, склады, накопители, вычислительная сеть предприятия, базовое программное обеспечение. К переменным ресурсам относится технологическое оснащение, управляющие программы, технологические карты.
Каждый объект и ресурс имеет свой идентификатор и свои атрибуты, определяющие их свойства. Свойствами ресурса могут быть, например, ресурс в работе или не в работе, работоспособен или неработоспособен, занят или свободен, использование определенного объема рабочих возможностей ресурса, например, выработка времени работы станка до капитального ремонта. В зависимости от решаемой задачи один и тот же элемент может быть на разных этапах и объектом и ресурсом. Например, при проектировании режущего инструмента инструмент - объект. При управлении производством он же - ресурс. Ресурсы так же, как и объекты, могут быть материальными и информационными.
В ходе ПДП над объектами совершаются некоторые действия, приводящие к изменению состояний объекта. Под состоянием объекта в рамках решения задачи будем понимать некоторую совокупность характери
505
стик (внешних и внутренних), существенных для решаемой задачи. Часть характеристик состояния могут быть взаимозависимыми.
Переход - совокупность действий, приводящих к переводу объекта из одного состояния в следующее. Выбор дискретности определения состояний определяется лицом, принимающим решение (ЛПР). Переход как элемент метода ОРП не надо путать с технологическим переходом. Переходом может быть и технологический переход, и технологическая операция, и технологический процесс. Переходом может быть процесс формирования сборочного чертежа изделия на основе его компоновочной схемы.
Событие - это то, что происходит, возбуждая переход или прекращая его. События могут быть регулярными и нерегулярными или случайными, например, отказ станка. Определенная последовательность переходов, относящихся к одному объекту — процесс. Процесс выполнения этапа ЖЦИ - процедура выполнения этого этапа. Вообще процедура - это законченная часть производственного процесса, имеющая заданную извне цель.
Под целью понимается совокупность заданных выходных характеристик, критериев, относящихся к заданному объекту и соответствующей процедуре, и условия ее окончания.
Все элементы ПДП в методе ОРП могут быть представлены в трех видах: элемента-оригинала, информационного отображения конкретного элемента или экземпляра и информационного отображения типа элемента. Например, станок 16К20 № 5 может быть материальным базовым ресурсом - РБМ, представлен как информационное отображение экземпляра станка 16К20 № 5 - РБЭ и как информационное отображение станков типа 16К20-РБ1,
Взаимосвязь процедур ПДП
Отличительной особенностью современного периода является резкое сокращение времени от разработки идеи нового изделия до его серийного производства. С этой целью одновременно с проектированием изделия проектируется его производственная система, предприятие или группа предприятий для его изготовления. Конечно, не во всех случаях производственная система или производство создается заново. Чаще изделие проектируется в расчете на определенное производство, с его некоторой коррекцией, связанной с появлением новых элементов в изделии. Поэтому моделирование обычно предполагает создание и исследование единой модели: модели изделия и производственной системы для его изготовления одновременно на всех этапах их ЖЦ.
В таблице 15.1 приведены этапы производственного цикла изделия и элементы моделей для их реализации.
Как видно из таблицы 15.1, начальным, порождающим элементом моделирования является информация о начальном состоянии изделия и производственной системы для его изготовления. Все остальные элементы моделей: промежуточные состояния изделия, все виды и формы представления ресурсов, переходов являются результатом моделирования и получаются как порожденные модели.
506
15.1. Взаимосвязь моделей ПДП
Этапы ПДП	Объекты единой модели		Результаты моделирования	Дополнительные результаты	
Проектирование изделия	Изделие (И)	Производство	Модель изделия	Модель ПР	Модель процедуры И+ПР
Проектирование элементов изделия	Элементы изделия (Э)	ПТК	Модель элемента	Модель ПТК	Модель процедуры Э+ПТК
Проектирование маршрутных ТП	Изделие и элементы	Технологическая система (ТС)	Модели состояний И, Э, перехода (Пт)	Моде-лиТСт	Модели процедуры проектирования И, Э+ТС, РБТ, РПТ
Проектирование операционных ТП	Элементы изделия	Операционная ТС (ОТС)	Модели состояния элементов РПТ, Пт	Модели ОТСт	Модели процедур Эт, ТПт
Планирование оперативное	Производственный заказ	Производственная система	Модель выполнения пзэ	Модель ПРЭ	Модели процедур ПЗТ+ПРТ, Рт, пэ
Диспетчерское управление	Сменное задание	ПС	Модель диспетчерского управления	Модель состояний ПСЭ	
Технологическое управление	Элементы изделия	ОТС	Модель технологического управления	Модель состояний ОТСЭ	
Рассмотрим некоторые этапы более подробно.
А) Проектирование изделия, машины. Объектом является информационное отображение изделия. Процесс проектирования заключается в пошаговом изменении состояний объекта от начального, например, технического задания на машину, до конечного, например, рабочей документации для деталировки, производства, эксплуатации. Изделие проектируется всегда с учетом того производства, где оно будет создаваться. При этом возможны большие или меньшие изменения и самого производства.
Б) Для проектирования детали мы имеем в ее начальном состоянии геометрию рабочих поверхностей, знания о функционировании детали. В конечном итоге мы должны получить информационное отображение детали как некоторой целостности, сведения о свойствах поверхностей и методах их получения и определения, а в некоторых случаях, информационное отображение заготовки. Детали проектируются с учетом производственнотехнологического комплекса.
В) Проектирование маршрутного технологического процесса изготовления изделия или входящих в него деталей. Объект - информационное отображение детали или изделия. Начальное состояние - модель заготовки. Конечное — модель детали. В процессе моделирования определяются промежуточные состояния объекта - полуфабрикаты, переходы - технологические операции, базовые ресурсы, необходимые для их реализации. Все элементы ТП находятся в виде информационного отображения реальных типовых объектов. Одновременно корректируется и состав технологической системы.
Г) Проектирование операционного технологического процесса. Определяется последовательность технологических переходов, промежуточные
507
состояния объекта, переменные типовые ресурсы, состав и оснащение технологических рабочих мест.
Д) Планирование суточное, объемное. Объект - номенклатура изделий, подлежащих изготовлению. Изменение состояний определяется запуском очередной партии изделий в производство.
3) Планирование суточных ресурсов. Объект - ресурсы производства. Переходы отражают изменения состояния ресурсов. При моделировании определяются: состав и последовательность переходов, необходимые экземпляры ресурсов для обеспечения переходов.
Таким образом, единая модель изделие-производство порождает все элементы производства, необходимые для изготовления и эксплуатации изделия. Все остальные модели ПДП являются порожденными.
Модели процессов создания изделия представляют сеть состояний объекта и правил их преобразования с общим доступом каждого разработчика ко всей информации и к ее изменениям, происходящим в процессе производства. Это создает благоприятные условия для организации совмещенного проектирования.
При решении определенной производственной задачи можно фиксировать не только результаты моделирования, но и процедуры преобразования. Полученная процедурная модель может служить для ускоренной разработки или исследования для группы однотипных изделий, например, процедурная модель проектирования гаммы роботов, приводов, СВЧ печей и т.д. При этом только изменение параметров исходного состояния объекта приводит к изменению информации каждого пользователя, включая и выходную информацию.
Виды моделей
При моделировании объект-оригинал определяется совокупностью внутренних характеристик 5О, и характеризуется определенными свойствами. Количественной мерой свойств объекта служит множество внутренних Ро и выходных Yo характеристик. Система проявляет свои свойства под влиянием внешних воздействий Хо. К ним относятся управляющие воздействия Хоу, являющиеся целенаправленно изменяемыми в процессе управления входными воздействиями или варьируемыми параметрами и возмущающие воздействия Xof. Возмущающие воздействия могут быть контролируемыми (наблюдаемыми) и неконтролируемыми (ненаблюдаемыми).
Выходные характеристики системы - это внешние признаки системы, определяющие ее влияние на другие системы внешние, по отношению к рассматриваемой системе. Выходные характеристики зависят от внешних воздействий и внутренних характеристик системы. Отдельная выходная характеристика уо е Yo определяется ограниченным множеством внутренних характеристик. На каждом этапе проектирования или анализа ПР интерес представляет только некоторая ограниченная совокупность выходных 508
г(), зависящая от ограниченной совокупности
характеристик {уо/
{sol} cz . Это позволяет проводить интересующий анализ систем-оригиналов на их моделях.
Модель - это тоже система со своими внутренними 5М и выходными Ум характеристиками, (рис. 15.3). Замещение оригинала моделью возможно, если анализируемые выходные характеристики оригинала и модели связаны одинаковыми или близкими зависимостями с их внутренними характеристиками и внешними воздействиями
(я)
Рм]
Рис. 15.3. Элементы оригинала (а) и его модели (б)
Хму
Ym
(б)
Модель может быть осуществлена как в виде физически реализуемых систем, устройств, машин, воспроизводящих в некотором масштабе процессы исследуемой системы, - физическая модель, так и в виде системы математических выражений - математическая модель. Для моделирования в КИП практическое значение имеет только математическое моделирование. По способу построения математические модели могут быть теоретическими, формальными и комбинированными. Теоретические модели формируются на основе изучения внутренней структуры и внутренних взаимосвязей системы. Формальные модели - на основе выявления зависимостей между внешними воздействиями и выходными характеристиками без изучения внутренней структуры системы. При созданий комбинированных систем используются оба подхода.
Статическая модель описывает связи между характеристиками, воздействиями и параметрами системы при отсутствии или без учета их возможного изменения во времени. Это допускает использование подобных моделей для исследования некоторых усредненных значений выходных характеристик машин, агрегатов или выходных характеристик систем, соответствующих установившимся режимам. В динамических моделях связи представляют функции непрерывного т (аналоговые модели)
509
или дискретного Дт времени (дискретные модели). Динамические модели можно использовать для анализа производственных и технологических процессов.
При моделировании ПР время моделирования т является обобщенным понятием. Это может быть реальное масштабированное время, время выполнения только рабочего процесса или некоторые переменные, связанные с реальным временем функциональными зависимостями.
У модели с нестационарными внутренними характеристиками последние являются функциями времени, у стационарных моделей -они неизменны во времени. В детерминированных моделях все параметры системы определяются их детерминированными значениями. В стохастических моделях существуют внутренние характеристики, определяемые вероятностными зависимостями, например, характеристики отказов инструмента, оборудования; характеристики восстановления систем после отказов и т.п.
В зависимости от формы описания связей в модели последние могут быть аналитическими, если все связи описываются только аналитическими уравнениями, логическими или лингвистическими. Обычно модели бывают комбинированными: логико-аналитическими, логико-лингвистическими.
Динамические модели сложных систем, в соответствии с представлением динамики происходящих в системе процессов, можно разделить на событийные и шаговые, синхронные и асинхронные. В моделях с событийным характером описания процессов изменение состояния системы определяется только в особые моменты, когда в системе происходят какие-либо события. В периоды времени между событиями состояние системы либо не изменяется, либо изменение происходит детерминировано по известным зависимостям, определяемым только свойствами внутренних элементов системы. Динамика модели фактически повторяет динамику дискретной производственной системы. Асинхронность процессов означает тот факт, что процессы могут рассматриваться в модели как независимые и скорости выполнения их могут быть любыми.
В моделях другого типа моменты наступления событий определяются путем анализа интервала времени с определенным шагом - шагом интегрирования, который может быть как постоянным, так и переменным. Динамика таких моделей является дискретным приближением реальных непрерывных процессов.
В реальных системах различные процессы могут протекать как последовательно, так и параллельно, а несколько событий могут происходить как со сдвигом во времени, так и одновременно. Реализация на моделях динамических процессов, протекающих параллельно с возможными совпадениями во времени событий, вызывает определенные трудности при создании моделей и организации моделирующих алгоритмов. Так, если события могут происходить одновременно и они некоммутативные (т.е. процессы, вызванные ими, зависят от порядка наступления событий), то в модели недостаточно определить реакцию системы на событие. Необходимо указать - в какой последовательности модель должна отрабатывать одновременные события.
В общем случае моделирование используется на различных этапах жизненного цикла изделия и ПР и на разных уровнях принятия решений, 510
требующих различной детализации и точности исследований. Поэтому при создании и эксплуатации ПР используют совокупности различных моделей от наиболее сложных, описывающих динамику производственных процессов в целом, до более простых моделей отдельных операций, переходов, деталей, заготовок.
Элементы моделей
При одинаковых внешних воздействиях | на определенном оце
ночном периоде т времени интересующие исследователя выходные характеристики можно представить в виде
(15.1)
(15.2)
где F - некоторые операторы преобразования, тт- модельное время; тт = тт, т масштабный коэффициент.
Если между характеристиками оригинала и объекта существует с определенным приближением связь
Уо* = ф(ум)>
то можно говорить об общности внутренних характеристик оригинала и модели. И наоборот, если такая общность каким-либо образом установлена, то полученные выходные характеристики в результате моделирования являются отображением выходных характеристик оригинала при тех же внешних воздействиях и оценочном периоде.
Форма представления моделей определяет и метод их исследования. По этому признаку можно выделить аналитические и имитационные модели. В аналитических моделях формализованное описание позволяет получить решение уравнения (15.2) в явном виде при использовании известного математического аппарата.
В имитационных моделях оператор FmkB уравнении (15.2) представляет совокупность правил изменения состояния системы.
Прежде чем приступить к проведению экспериментов на модели, требуется проверка степени ее адекватности реальным условиям производства. Это может быть достигнуто сравнением интересующих выходных характеристик предлагаемой модели и оригинала при эквивалентных внешних воздействиях. Если уок —> утк, то считают, что имеет место адекватность оригинала и модели с заданной степенью достоверности. Вместо оригинала в этом случае может быть использована другая, более точная модель, адекватность которой установлена ранее.
При дальнейшем изложении материала мы будем иметь дело с описанием моделей. Поэтому все обозначения элементов, если это не указано особо, будут относиться к моделям без обозначения индексов.
Управляющие воздействия обычно детерминированы, формируются системой управления ПС по определенным алгоритмам. Примером управляющих воздействий могут служить команды на адресацию транс
511
портных устройств, изменение интенсивности грузопотоков, изменение технологических маршрутов и т.п. При моделировании все внешние воздействия задает исследователь и они являются управляющими. К управляющим воздействиям при моделировании относят также случайные внутренние воздействия, приводящие к изменению внутренних характеристик системы, например, отказы оборудования. Случайные воздействия задаются либо соответствующими распределениями, либо детерминировано их статистической оценкой. Выходные характеристики оригинала и модели могут быть текущими yt (т), зависящими только от внутренних характеристик системы и входных воздействий, определенных в момент времени т, и интегральными уп(т), которые зависят от всей предыстории процесса до момента времени Г.
Интегральные выходные характеристики производственной системы, представляющие интерес для исследователя при решении определенной задачи, носят название показателей {уп} с {уи} функционирования системы. К ним можно отнести производительность, объем незавершенного производства, коэффициент загрузки станков и т.п.
Процедура моделирования зависит от формы представления используемой модели и целей моделирования. Функционирование АПС заключается в параллельном выполнении нескольких технологических процессов, требующих определенного перемещения ресурсов системы: материальных, энергетических, информационных в соответствии с заданной совокупностью алгоритмов работы системы А и входных воздействий X.
При алгоритмическом методе моделирования динамика производственной системы, имеющей внутренние характеристики S в момент т может быть определена как
Y = F(X,S,A,t),	(15.3)
где F- множество операторов вычисления выходных характеристик.
Состояние производственной системы в момент времени т определяется совокупностью ее внутренних характеристик и находит отражение в совокупности выходных характеристик. Состав характеристик, определяющих состояние производственной системы, зависит от конкретных задач исследования.
При моделировании по методу отражения состояний системы динамику системы можно представить как последовательность изменения ее состояний при известном начальном состоянии. Среди всех характеристик Z, определяющих состояние системы, можно найти ограниченное (и) множество {Zn} достаточное для описания состояния системы в каждый момент времени. Элементы Zn носят название координат состояния системы. Пространство в координатахZn носит название и-мерного пространства состояний.
Состояние системы в пространстве состояний в каждый момент времени определяется точкой с координатами Z = [Z, Z, ... Zn], а траектория точки Z(t) в пространстве состояний носит название траектории состояний. Если известно условие перехода из одного состояния в другое для всех возможных состояний на всем периоде моделирования
512
Z(t/+1)=77[х(т,)я Z(t,),	(15.4)
то выходные характеристики можно определить по формуле
Г(г<+1)=г(2(т/+1)).	(15.5)
Для сложных производственных систем этот метод состояний, в отличие от алгоритмического, позволяет получить более удобные процедуры машинного моделирования.
Моменты перехода из одного состояния в другое, при моделировании процедуры «Управление», можно определять либо рассчитывая осуществимость перехода через равные интервалы времени, либо определяя момент возникновения ближайшего по времени перехода. В последнем случае интервалы времени будут неравными, а самих интервалов будет меньше чем в первом случае.
Управляющие воздействия - это те элементы ПС, изменяя или варьируя которыми, ЛПР может воздействовать на моделируемый объект, добиваясь получения желаемых выходных характеристик. Однако, в общем случае, выбор того или иного управляющего воздействия требует и обеспечения его соответствующими ресурсами из числа имеющихся в распоряжении ЛПР. Поэтому под управлением U мы будем понимать совокупность управляющих воздействий Ху и ресурсов их обеспечения Ry.
Функционирование системы между двумя событиями представляет собой переход. Каждый переход осуществляется определенными ресурсами. Прогнозируемые события (например, событие «начать» действие) выполняются при полном обеспечении необходимыми для соответствующего перехода ресурсами и полном соответствии их атрибутов. Невыполнение этих условий может породить новые действия и процессы по обеспечению недостающими ресурсами, например, изготовление инструмента или его получение из другого подразделения ПР.
П и F в уравнениях (15.4) и (15.5) - множество операторов, называемых соответственно операторами перехода и операторами выхода.
Для непрерывных, аналитических моделей уравнения (15.4) принимают вид системы дифференциальных уравнений, называемых уравнениями перехода или уравнениями связи
Z'j(x)=^j{x,z,x)/ j = \,n.	(156)
Одна из целей моделирования - получение совокупности исследуемых показателей функционирования АПС при заданных условиях. Это позволяет лицу, принимающему решение (ЛПР) на основании своего субъективного опыта, оценить качество решения и в случае необходимости осуществить его коррекцию в направлении, определяемом субъективным желанием проектировщика. Моделирование проводится многократно во всей области G допустимых управляющих воздействий.
*Л)еОг(4	(15.7)
Более высокий уровень моделирования достигается, если цель моделирования формулируется как нахождение оптимального с некоторой точки зрения решения при выполнении условия (15.7) и ограничений на значения некоторых лимитирующих показателей
513
^(0)=[rnL* = M	(15.8)
на оценочном периоде 0 моделируемой процедуры, где [Уи]* - допустимое значение к-го показателя. Условия (15.8) носят название конечных краевых условий.
В качестве критерия оптимальности Q принимается один (однокритериальная задача) или несколько (многокритериальная задача) показателей. Например, приведенные затраты, технологическая себестоимость, прибыль, производительность и т.д. При такой постановке возможна организация автоматического и направленного перебора проектных решений с целью получения либо одного варианта, имеющего наилучшее значение, либо их некоторое ограниченное количество, для принятия окончательного решения ЛПР.
При использовании аналитических моделей в некоторых случаях возможно точное аналитическое решение оптимизационной задачи.
Этапы моделирования
Для моделирования АПС необходимо создать модель и провести ее исследование. Укрупненно все работы по моделированию можно разбить на следующие этапы:
формирование цели моделирования;
теоретические исследования и разработка концептуальной модели;
подготовка исходных данных;
разработка модели;
разработка моделирующего алгоритма;
выбор средств моделирования;
разработка, настройка или генерация программной модели на решение конкретной задачи;
проверка адекватности и корректировка модели;
планирование машинных экспериментов;
моделирование на ЭВМ;
анализ результатов моделирования.
В содержание этапа «Формирование цели моделирования» входят: исследование производственной проблемы, требующей моделирования; формирование задач и критериев моделирования на понятийном уровне, значений весовых коэффициентов при многокритериальном моделировании показателей, граничных краевых условий, значений внешних воздействий, изменяемых в процессе моделирования внутренних характеристик, определение оценочного периода анализа функционирования системы, требуемой точности результатов моделирования; анализ имеющихся в распоряжении исследователя ресурсов моделирования.
Цели моделирования устанавливают на основании анализа метасистемы, в которую входит рассматриваемая производственная система. Только при таком рассмотрении можно выделить все внешние связи системы и определить ее эффективность с точки зрения глобальных, а не локальных задач. Первоначально цель моделирования определяется в текстовом виде совместно заказчиком и разработчиком модели. Затем, в рамках концептуального моделирования, ее представление формализуется в виде количест-
514
разработать единую методику создания моделей не представляется возможным. В общем случае разработка модели требует получения совокупности операторов выхода (15.3), (15.5) и операторов и уравнений перехода (15.4) или (15.6), условий текущих ограничений (15.7) и краевых условий (15.8).
Они могут быть получены на основе теоретического анализа функционирования системы, ее экспериментального исследования или с использованием обоих методов. В последнем случае теоретический анализ позволяет получить структуру модели, а на основе экспериментов устанавливаются ее параметры. Эксперименты могут проводиться как на натурных объектах, так и на математических моделях, адекватность которых в исследуемой области установлена.
Разработанная математическая модель функционирования производственной системы может быть исследована с применением различных методов и моделирующих алгоритмов.
Более полное исследование модели можно провести с помощью аналитических методов, позволяющих не только анализировать, но и синтезировать наилучшие решения. Однако это возможно для сравнительно простых систем. При анализе и синтезе ПС аналитические методы используются для исследований рабочих процессов, динамики функционирования исполнительных агрегатов, например, приводов, промышленных роботов.
Представление сложных производственных систем в аналитическом виде возможно за счет значительного упрощения модели относительно реального объекта и поэтому для таких систем аналитическое моделирование если и используется, то на начальных этапах проектирования, либо для первых грубых оценок. Решение возможно либо аналитическими методами, что предпочтительно, но не всегда возможно, либо численно с применением быстродействующих ЭВМ.
При интеллектуальном моделировании динамические процессы систем и их элементы (переходы, состояния, воздействия) имитируются аналогичными процессами с соблюдением временных соотношений, характеристик процессов на моделях. При этом возможна любая необходимая для исследования детализация системы.
Выше описаны этапы полномасштабного создания моделей ПС для решения конкретной задачи. В настоящее время исследователь имеет возможность воспользоваться языковыми и программными средствами моделирования, облегчающими процесс формирования моделей. В его задачу входит выбор инструментальных средств, предназначенных для моделирования ПС нужного класса и обеспечивающих реализацию принятого исследователем методаг моделирования. С использованием этих средств формируется требуемая модель и настраивается на решение конкретной задачи.
Адекватность полученной модели и оригинала не может быть полной. Можно считать, что модель адекватна с оригиналом, если вероятность того, что отклонения исследуемых характеристик не превышают предельной величины, больше допустимой вероятности . Однако для проектных задач ПС подобный критерий невозможен для практического применения.
516
Это связано с тем, что:
для проектируемых систем точные значения выходных показателей априорно неизвестны;
проведение сравнения с результатами функционирования аналогичных систем не может гарантировать правильности оценок в связи с уникальностью каждого решения ПС и более широкой областью применения моделей; чем одна реализация ПС, взятая для сравнения;
на реальных производственных системах невозможно получить достаточную представительность экспериментальных данных, учитывая стохас-тичность протекающих в них процессов и ограниченность допустимых пределов варьирования исходными данными.
На практике такое прямое сравнение выходных характеристик модели и системы-аналога используется только как один из видов проверок на адекватность. Можно выделить еще ряд проверок:
экспертная проверка концептуальной модели на правильность постановки задачи;
экспертная проверка математической модели на корректность использования математического аппарата;
проверка программной модели на функционирование при различных постановках задачи;
проверка результатов моделирования на логическую непротиворечивость;
проверка результатов моделирования на непротиворечивость известным результатам;
проверка на адекватность отдельных функциональных блоков модели;
проверка на адекватность на основании сравнения с результатами моделирования на других моделях, адекватность которых для сравниваемых условий установлена.
Результаты проверки на адекватность позволяют судить о необходимости корректировки и калибровки модели и уровне корректировки: глобальной, отдельных модулей, параметрической. Завершается этап проверки на адекватность и корректировки модели определением области адекватности модели и ее применимости.
Проведение машинных экспериментов на созданной модели включает этапы планирования, моделирования и анализа результатов, которые выполняются аналогично натурным экспериментам.
Производственные системы и модели
Модель - совокупность материального или информационного отображения объекта и отношений, позволяющая получить некоторые сведения об объекте. Модель - это совокупность информационного образа объекта - оригинала и определенных знаний для решения поставленной задачи. Модель создается для решения определенной задачи. Поэтому можно говорить о модели объекта для решения задачи или группы задач: модели определения состояния объекта, свойств объекта, влияние объекта на другие объекты, преобразования или эволюции объекта. Всякое решение задачи - получение новых знаний. Модель содержит в себе активные знания для получения новых знаний. Не может быть просто модели объекта и не может быть модели задачи без объекта.
517
Трудно определить различия между данными и знаниями, поскольку любые рассматриваемые человеком данные уже несут в себе некоторые знания. Поэтому, может быть несколько условно, дальше мы будем понимать под данными пассивные знания, не рождающие никаких новых знаний. Совокупности числовых параметров производственного процесса в отрыве от каких-либо комментариев, набор геометрических фрагментов изделия, числовые характеристики его качественных показателей -вот примеры данных.
Данные, организованные по какому-либо признаку составляют базу, банк, склад, хранилище данных. Например, хранилище данных изделия (самолета определенного типа, корабля).
Знания активны. На основе использования знаний можно получать новые знания. Знание зависимости стойкости режущего инструмента от режимов резания позволяет найти экономичные режимы для конкретных условий обработки. Структурированные определенным образом знания составляют базу знаний.
Структурированные определенным образом данные, позволяющие идентифицировать объект, представляют его информационный образ (информационный макет). На макете объекта без дополнительных указаний, нельзя решать никаких задач, направленных на познание оригинала. На макете корабля нельзя проводить изучение поведения корабля, если нет зависимостей, связывающих характеристики макета и корабля. По чертежу изделия нельзя изготовить изделие, если нет дополнительных комментариев. То есть для решения каких-либо задач по изучению объекта его макет должен быть дополнен знаниями. В этом случае мы будем иметь дело с моделью объекта.
Модель - совокупность некоторого отображения (натурного или информационного) объекта и процедур определения или использования его свойств.
Этапы ЖЦ могут быть отнесены к каждому объекту производства, а не только к изделию.
Модели разрабатываются и используются для целей реализации главных функций: проектирования объекта (проектные модели), имитации эксплуатации объекта (тренажерные модели), исследования его свойств (исследовательские модели), управления объектом (модели управления) или поиска его элементов (информационно-поисковые модели).
Моделирование - разработка модели решения некоторой задачи, относящейся к объекту и решение этой задачи на модели. Свойства объекта бесконечны, модель предназначена для исследования или использования ограниченного множества свойств объекта. Никакая модель не может отразить все свойства оригинала. Но модель, созданная для решения определенной задачи, должна иметь все компоненты для ее решения. Полномасштабное решение задачи означает, что модель должна дать ответы на вопросы: что нужно делать для решения задачи? Как решать задачу? С помощью каких средств? Что получится в результате решения? Как получить результаты решения?
Исследовательское моделирование - определение, исследование некоторых свойств объекта на его исследовательских моделях. Ис-518
следовательское моделирование - замещение объекта-оригинала его моделью и проведение определенных исследований на модели вместо оригинала. Исследовательские модели могут иметь самостоятельное значение, но могут быть составной частью моделей ГФЗ. При такой трактовке известные SADT-диаграммы могут считаться исследовательскими функциональными моделями системы. Они отвечают только на вопрос: Что нужно делать для реализации определенной функции системы? Но диаграммы не отвечают на все вопросы проектирования системы и поэтому не является моделью для решения задачи проектирования.
В нашей работе мы в большей степени имеем дело с системами.
Система - множество элементов, находящихся в отношениях друг с другом и образующих определенную целостность, единство. Система никогда не существует изолированно, она всегда связана и взаимодействует с окружающей средой. Причем в реальных условиях трудно сказать, где находится граница между системой и средой. При создании модели такая определенность должна быть обеспечена разработчиком. Реальные отношения системы и среды заменяются отражающими их внешними воздействиями среды на систему и выходными характеристиками системы.
Всякое решение задачи - получение новых знаний. Модель содержит в себе активные знания для получения новых знаний. Не может быть просто модели объекта и не может быть модели задачи без объекта.
Сложную систему можно определить через ее свойства:
1.	Уникальность.
2.	Слабая формализуемость.
3.	Составной характер.
4.	Разнородность.
5.	Случайность и неопределенность факторов.
6.	Многокритериальность оценок.
7.	Большая размерность.
8.	Слабая прогнозируемость результатов.
Для КИП свойство уникальности означает, что КИС предприятия должна разрабатываться именно для этого предприятия. Не может быть тиражирования систем.
Составной характер системы означает, что каждая сложная система состоит из взаимозависимых подсистем, которые в свою очередь могут быть разложены на подсистемы и т.д. до самого низкого уровня. Выделение системы из среды, выделение подсистем и определение элементарных систем задачи в большой степени условные и зависят от ЛПР. Каждая выделенная система и подсистема имеет внутренние и внешние связи (отношения). Внешние связи - это отношения между системой и средой. При выделении системы из среды их отношения определяются внешними связями. Влияние среды на систему - внешними воздействиями, влияние системы на среду - ее выходными характеристиками.
Организованные сложные системы, как правило, имеют иерархическую подчиненность входящих в них подсистем. Внутренние связи подсистем обычно сильнее, чем внешние, что и позволяет выделять системы и подсистемы.
519
Интеллектуальное моделирование в КИП
Одно из ведущих положений и направлений развития новых информационных технологий в производственной деятельности является интеллектуализация систем, т.е. создание систем проектирования и управления на основе методов искусственного интеллекта (ИИ). Хотя эти методы начали развиваться с начала появления ЭВМ, однако до сих пор в этой области, несмотря, а может и благодаря большому вниманию ученых к этой проблеме, многие вопросы даже на понятийном уровне остаются дискуссионными.
В проблеме ИИ с самого начала определились два направления. Первое - попытки моделировать функционирование мозга в надежде воспроизвести на ЭВМ искусственный разум. Это направление пока значительных практических результатов не дало.
Второе направление, Г. Поспелов назвал его прагматическим, - рассматривает ЭВМ как инструмент для усиления интеллектуальной деятельности человека. В исследованиях этого направления термин «искусственный интеллект» понимается только как метафора. Основные практические достижения последнего времени в области систем автоматизации связаны с этим направлением.
В первых компьютерных системах автоматизации между предметным специалистом (пользователем) и ЭВМ стояли: математик, программист, оператор. ЭВМ имела дело с машинными программами, разрабатываемыми на основе математических или логико-математических моделей и алгоритмов. Математические модели являются мощнейшим аппаратом исследования задач в области точных наук. Успехи, достигнутые с их помощью, сделали из них в какой-то степени фетиш. Работы, по крайней мере, в области технических наук, не содержащие математических моделей, часто только по этой причине не признавались научными.
Математические модели универсальны по самой своей сути. Однако в этом их и сила и слабость. Например, модель в виде системы дифференциальных уравнений может описывать процессы в объектах самой различной природы. Однако в каждом случае семантика модели находится вне ее и требуется создавать специальный комментарий к математической модели, раскрывающий конкретные знания об объекте.
Кроме того, имеющимся в нашем распоряжении математическим аппаратом трудно, а часто и невозможно описать многие процессы в сложных системах. Конечно, можно описать поведение человека в человеко-машинной системе летчик-самолет апериодическим звеном или звеном с запаздыванием. Или представить процессы технико-экономического управления предприятием в категориях теории автоматического управления. Такие попытки не только делались раньше, но и входят во многие научные и учебные работы последнего времени. Но даже самим разработчикам таких подходов ясна грубость приближения к действительности.
Появление новых информационных технологий связывается в первую очередь с разработкой логико-лингвистических моделей. В отличие от математических моделей они носят семантический характер и отражают конкретность знаний специалиста об объекте, процессе. Эта конкретность обычно выражается в описательной форме и не поддается представлению в виде универсальных математических моделей.
520
Кратко напомним некоторые полученные ранее положения. Решение многочисленных задач производственной деятельности предприятия основано на интеллектуальном моделировании. Все многообразие моделей может быть сведено к пяти процедурам или главным функциям: проектирование, планирование, управление, исследование, поиск и хранение.
Производственная процедура - это перевод объекта из некоторого начального состояния в конечное (рис. 15.4). Объектом может быть любой элемент материальный или информационный, над которым совершаются некоторые действия, например, объектом может быть деталь, сборочная единица, изделие, проектный документ, управляющая программа и т.п., объектом может быть и целая система.
Перевод осуществляется через некоторые непрерывные или шаговые изменения состояния объекта. Процесс изменения состояния объекта из некоторого z-ro в следующее есть переход. Состояние объекта определяется координатами состояния Zz. Зная координаты состояния и операторы выхода, можно в каждый момент обобщенного времени определить все выходные характеристики объекта. Конечное состояние объекта характеризуется некоторым набором требуемых выходных характеристик объекта и графически определяется областью допустимых решений Переход объекта из одного состояния в следующее может быть различным и определяется некоторым вектором управления L/(Zz), компонентами которого являются как непосредственно элементы управления, так и ресурсы для его реализации.
Событие представляет собой элементарный акт, в том смысле, что он не имеет протяженности во времени и не может быть выполнено частично. Свершение какого-либо события идентифицируется тем, что приводит к изменению состояния системы, существенному для ее функционирования, рассматриваемого на данном уровне. Дискретность ПС накладывает ограничение на характер изменения ее состояния. Изменение состояния происходит скачком. События можно разделить на прогнозируемые или регулярные, вызываемые штатным функционированием ресурсов ПС, и непрогнозируемые или нерегулярные. Изменение состояния ПС при совершении прогнозируемого события может быть формализовано и отражает логику взаимодействия ресурсов между собой. Непрогнозируемые события происходят либо при нештатной работе ресурсов (поломки, отказы), либо по внешним по отношению к ПС причинам (получение новой партии заготовок, нового заказа и т.п.). События могут объединяться по единству каких-либо признаков в группы событий.
Функционирование системы между двумя событиями представляет собой переход. Каждый переход относится к определенному объекту и осуществляется определенными ресурсами. Прогнозируемые события (например, событие «начать» переход) выполняются при полном обеспечении необходимыми для соответствующего перехода ресурсами и полном соответствии их атрибутов. Невыполнение этих условий может породить новые переходы и процессы по обеспечению недостающими ресурсами, например, изготовление инструмента или его получение из другого подразделения ПС. Выполнение перехода после наступления определенного события, а также построение сети или цепи переходов, осуществляется на основе продукционных правил с использованием элементов искусственного интеллекта.
17 - 42
521
Обобщенное решение задачи моделирования производственных процедур
Модель каждой процедуры представляет собой непрерывную цепь из некоторых элементарных моделей - моделей переходов, описывающих изменение состояния объекта. Содержательная часть элементарной модели определяется характером решаемой производственной задачи. Несмотря на все многообразие решаемых производственных задач, элементарная модель может быть описана в некотором обобщенном виде, основу которого составляет правило продукции:
Если (Zh G(Z^ то U(Zi+j) и Zi+J \J=1, d,	(15.9)
где Zj - z-e состояние объекта, определяемое вектором координат состояния;
G(Zz) - область допустимых управлений или варьируемых элементов объекта при решении задачи;
R(Zj) - некоторый оператор, позволяющий на каждом шаге изменения состояния из множества допустимых управлений находить оптимальное или рациональное решения. В зависимости от методов определения R(Z^) оптимальность и рациональность решения относятся или ко всей процедуре или только к рассматриваемому переходу. Его применение позволяет уменьшить количество вариантов выбора возможных управлений t7(Z/);
В общем случае в z-м состоянии объекта может быть получено d рациональных решений, что определяет возможность перехода объекта в d новых состояний. Применение принятого решения U(Zt ) к z-му состоянию позволяет перевести объект в состояние (z+1)*.
Для решения процедуры элементарные модели должны быть объединены в цепь внешним механизмом и дополнены моделями принятия решений, моделями оптимизации решений, моделями определения допустимых решений, относящихся ко всей процедуре. G(Zz), R(Z^) могут быть заданы графически, таблично, матрично или в виде текстовой информации. Они могут представлять некоторые процедуры обращения к моделям, экспериментам.
Совокупность сущностей, обеспечивающая выполнение процедуры -агент, перехода - элементарный агент. Агент, автономно обеспечивающий выполнение процедуры на основе заданной ему цели процедуры, определяется как интеллектуальный агент (ИА). Для этого веостав агента должна входить интеллектуальная модель процедуры (ИМП). Программная реализация ИМП может быть различной и представляет собой программно-функциональный модуль (ПФМ).
Примеры агентов: промышленный робот для реализации процедуры загрузки станка, ГПЯ, система автоматизированной подготовки управляющих программ. Введение в состав агента интеллектуальной системы превращает его в интеллектуального агента. Объединяясь, агенты могут создавать новые агенты, более высокого уровня для реализации новых процедур.
Процедура представляет собой совокупность переходов, составляющих цепь, переводящую модель из начального состояния в конечное (см. рис. 15.4).
Алгоритм решения процедуры: (15.10)
1.	Выполнить (15.9) для z = 1;
2.	Если т < 0, то продолжить процедуру (15.9) для z = z + 1;
522
3.	Если нет, то фиксировать QK, Пк и %;
4.	Если Пк не принадлежит Фк°~ то QK. Пк % удалить;
5.	Если Пд принадлежит- У^-решение , фиксировать QK, Пди
6.	Выполнить 1 - 9 для всех d по всем переходам цепи;
7.	Найти Qw*-> extr QK | k = l,r, где г число зафиксированных решений;
8.	Фиксировать	как оптимальное решение (оптимальная
процедура).
U*- оптимальная траектория
Рис. 15.4. Траектории состояний при моделировании производственных процедур
Процедура - это цепь переходов. В общем случае в z-м состоянии объекта на основании формулы 15.9 находится один или несколько возможных вариантов управления, а следовательно, несколько вариантов перехода из z-ro состояния в следующее. В формуле предположено d таких состояний, поэтому процедурное решение будет не однозначным, а составляет сеть различных процедур (см. рис. 15.4). Хотя на каждом переходе уже имеются элементы определенного перебора вариантов, тем не менее вариантность процедурных решений остается. Окончание процедуры определяется условием достижения одним из выбранных показателей своего заданного значения.
Решение осуществляется на основании модели окончания процедуры (см. 15.10). Вследствие вариантности выбора на каждом шаге решения имеем в общем случае п возможных процедур. После окончания каждой процедуры объект получает некоторые значения показателей, в то же время окончанию процедуры должна соответствовать область заданных значений показателей или заданная область допустимых решений Фк. Если процедура имеет множество показателей, принадлежащих области Фк, та
17*
523
кая процедура допустима для дальнейших исследований. Если множество показателей не входит в область допустимых решений, такая процедура должна быть отброшена на основании, например, модели допустимых решений. Из оставшихся процедур лицо, принимающее решение (ЛПР), может принять одну из процедур в качестве решения на основании своего субъективного опыта. Однако более высокий уровень решения может быть получен на основании решения оптимизационной задачи.
Процедура считается оптимальным решением задачи, если ее критерий имеет экстремальное значение по отношению к остальным процедурам. Нахождение оптимального решения может быть осуществлено на основании оптимизационной модели. Метод оптимизации принятия решений удобен, даже если он не дает ощутимых экономических выгод. Метод позволяет найти однозначное решение, что дает возможность использовать автоматические системы принятия решений. Процедура, имеющая оптимальное значение показателя, принимается как решение задачи. Надо отметить, что процедура обычно достаточно устойчива к вариациям параметров моделируемого объекта. Это позволяет иметь параметризованную процедуру и использовать ее как типовую процедуру решения задачи для определенного класса объектов, отличающихся значением параметров в некоторых допустимых пределах.
Реализация моделирования процедур осуществляется различными автоматизированными системами.
Система программного управления (СПУ) - система, реализующая процедуры на основе получения и отработки последовательности команд. Для реализации отработки СПУ имеет встроенные программно-аппаратные механизмы.
Системы адаптивного управления (САдУ) - системы, реализующие процедуры на основе заданных целевой функции, условий текущих ограничений и получаемой рабочей информации о состояние системы.
Системы с набором типовых решений - разновидность САдУ, в которых решения принимаются на основе оценки состояния системы и выбора решения из числа имеющихся типовых, соответствующих данному состоянию. В системе присутствует модель перебора решений.
Системы искусственного интеллекта (интеллектуальные системы- ИС) - системы, автономно реализующие процедуры на основе заданной цели. Для этого в их составе имеерзя ИМП. ИМП - это модели, позволяющие принимать решения на основе некоторых формализмов. Полученные на их основе решения всегда предсказуемы, по крайней мере, для разработчика и могут быть повторены. Такие Модели назовем алгоритмическими.
Системы естественного интеллекта пока еще предполагают участие в их функционировании человека с его абстрактным непредсказуемым мышлением. Чисто технических реализаций подобных систем нет.
Система может реализовать процедуру с применением различных подсистем на переходах. В этом случае уровень интеллектуализации системы определяется по уровню подсистемы, принимающей решение по окончанию процедуры с указанием наличия подсистем более высокого уровня. Например, система числового программного управления с элементами адаптации и интеллектуализации.
524
Моделирование маршрутных процедур
Под маршрутными процедурами мы будем понимать последовательность переходов, изменяющих свойства объекта без определения рабочих процессов или режимов, обеспечивающих эти свойства. Таким образом под понятие маршрутных процедур подпадает как проектирование маршрутных технологических процессов, так и проектирование операционных процессов по установам и технологическим переходам без определения режимов обработки.
Рассмотрим применение обобщенной модели переходов (см. 15.9) для решения задач маршрутных процедур. Рассмотрение проведем на примере решения задачи определения процедуры операционных переходов. На рис. 15.5 приведен эскиз детали, получаемой механической обработкой из цилиндрической заготовки. Решение маршрутной процедуры состоит в оп-
а)
Pi - 1 Подрезать И1
Р2 - 2 Расточить И2
Р3 - 3 Подрезать И3
Р4 - 4 Обточить И3
Р5 - 5 Обточить И3 И - заданы.
Р6 - 6 Подрезать И3
Р7 - 7 Обточить И4
Р8 - 8 (отрезать) И5
Р9 - 9 Сверлить И6
Рю ~ Ю (упор, зажим)
Рис. 15.5. К примеру маршрутной процедуры: а - чертеж детали и заготовки; б - состав технологических переходов
ределении последовательности обработки поверхностей, определении свойств этих поверхностей и определении состава инструментов для получения этих поверхностей. В таблице на рис. 15.6 приведена совокупность технологических переходов, которые надо использовать для получения всей детали. Состояние детали Z в формуле 15.4 определяется геометрией детали и показателями, которые в данном случае являются свойствами этих поверхностей. Компонентами управления U являются: выбор технологических переходов, допустимых в данном состоянии, и выбор инструмента, обеспечивающего эти переходы. За показатель, определяющий окончание процедуры, принято достижение деталью заданной геометрии Lk. В качестве критерия принято полное время выполнения процедуры.
Для упрощения изложения далее будем считать, что инструменты на каждом переходе заданы, т.е. каждый инструмент жестко связан с номером перехода. Область допустимых управлений Gt удобно найти, воспользовавшись известной в технологии машиностроения таблицей смежности (см. рис. 15.6). По строкам i и столбцам j отложены номера переходов. Таблица смежности заполняется по условию:
ноль (0), если i предшествует j и единица (1), если i не предшествует j. Так, например, 7И35=0, т.к. Р3 предшествует Р5. По таблице смежности удобно рассматривать последовательность возможных переходов. Диаго-
525
наивные нули в таблице смежности не рассматриваются. Если в строке имеются только единицы, строка и, следовательно, переход открыт для исполнения. Так в начальный момент, в начальном состоянии, когда не выполнен ни один переход, открыт к исполнению переход Рю, т.е. подача детали до упора и ее зажим. При этом вычеркнется строка перехода Рю и открывается переход Р3 (подрезать поверхность 3). Начиная с Z3, открывается возможность реализации нескольких переходов (рис. 15.7), а отсюда появляется вариантность возможного продолжения процедуры и так практически на каждом следующем этапе, что приводит к появлению разных процедур обработки детали. Если бы мы учитывали и вариантность ресурсов, т.е. инструментов для обработки, то вариантность многократно бы увеличилась.
1, ecnui^ j
ту = 1
[О, если i -К j
т35 = 1, т. к. Р3 предшествует Р5 б
Рис. 15.6. Таблица смежности (а) и условия ее заполнения (б)
Процедура оканчивается, когда будут выполнены все переходы, т.е. будет получена заданная геометрия детали. Однако при этом возможны случаи, когда процедура, например, ¥1 не обеспечивает заданные параметры качества, т.е. не попадет в область допустимых решений Ф°. Это значит, что данное решение должно быть отброшено. Процедура, показатели которой попадают в область допустимых решений, может быть принята к дальнейшим исследованиям.
Допустимые процедуры: ^2, %, %
Недопустимые процедуры:
%, %
Оптимальная процедура:
T3*(Q*=Tw/n)
Ц) = [0-Р10],
U2' = [P3-P9lU2" = [P3-P7l U2"' = [P3-P7,P9].
Рис. 15.7. Траектория состояний и процедуры моделирования маршрутного процесса обработки детали по рис. 15.5
526
Решением будет та процедура, у которой показатель, представляющий собой время Q = Тт, для реализации процедуры Ч7, будет наименьшим. Цепь переходов, соответствующая этой процедуре и будет решением задачи. Отклонения, по крайней мере, малые, в размерах отдельных поверхностей или малые отклонения в их свойствах не должны привести к изменению выбора процедуры, представляющей собой решение задачи. Это позволяет использовать принятую процедуру как типовую и в дальнейшем не проводить для группы деталей, отличающихся от типового представителя только параметрами (в допустимых диапазонах), исследования возможных процедур. Это, конечно, значительно ускоряет процесс решения задачи проектирования технологических процессов для детали-представителя определенной группы.
Модель проектирования маршрутного технологического процесса включает:
Модель перехода:
Если (Zz, G(Zz), 7?(Zz)), то L7(Zz) и Zz+/1 j=l, d.(A),
Z = [4+b 77z+], Qz+b ® z+1],
t7=[^7?],7Zz = [47ffi,/?z,...].
Модель организации процедуры: (Б)
Выполнить (А) для i = 1. Если т < & = 4., то продолжить процедуру для i = i + 1.
Если т = ® = lkt, то фиксировать QK, Пк и
Модель перебора процедур: (В)
Выполнить А и Б для всех возможных траекторий состояния.
Модель определения допустимых процедур:
Если Пк Фк °- то Q/с, Пк 4V удалить.
Модель определения оптимального решения:
Найти Qm*-> extr QK | к = 1,г, где г число зафиксированных решений;
Фиксировать как оптимальное решение (оптимальная процедура).
Если в составе выходных характеристик учесть состояние поверхностей, а в векторе управления оставить в качестве компонента инструмент, то задача многократно усложнится, технология же ее решения останется той же.
Моделирование процедуры «Управление»
Принципиальная особенность процедуры «Управление» состоит в том, что во время ее реализации могут происходить случайные непредвиденные события. Это приводит к необходимости использовать для представления модели перехода модифицированные продукционные правила:
Если (Zz, G(Zz), 7?(Zz)), то L/(Zz) и Zz; но ждать тп,
и, если СИ, то Zz7|Z=l,т,	(15.11)
где т - число возможных видов случайных событий СИ, тп - время предполагаемого выполнения перехода. В отличие от моделирования других процедур, при моделировании процедуры «Управление» решением может быть только одна процедура. Поэтому функция 7?(Zz) строится таким образом, чтобы на каждом переходе формировать единственное управление
527
U(Z^. R(Z^ может быть целевой функцией или некоторым декларативным правилом («первым пришел - первым ушел»). Но во всех случаях функция управления определяется исходя из условия эффективности реализации всей процедуры, а не отдельного перехода. Определение ее возможно аналитически, экспертно или путем моделирования при различных правилах с последующим сравнением результатов моделирования.
Продолжение процесса после появления случайного события определяется либо имеющимся набором типовых решений, либо на основании ЛПР.
15.2. Технология моделирования производственных процессов
Средства моделирования АПС
Аналитическое моделирование АПС, позволяющее получить выражения, связывающие показатели функционирования системы с ее параметрами, может быть осуществлено различными методами (СМО, динамики средних и др). Достаточно грубое описание АПС аналитическими методами позволяет использовать разработанные организациями пакеты прикладных программ для предварительной оценки предельных и средних значений показателей АПС на ранних стадиях проектирования.
Одним из основных инструментальных средств анализа АПС при их проектировании, исследовании, прогнозировании развития является имитационное моделирование.
Обобщенная математическая модель трансформируется в имитационную модель следующим образом: задается правило (алгоритм) перехода модели из одного состояния в следующее, т.е. преобразование
Y, -> Г/+1,
где У, - состояние модели в i-й момент времени, представляющее собой в
общем случае вектор
у = (У1’У2>->Ут),>
Внешние воздействия и управление также задаются в виде векторов:
Тогда имитационная модель определяется заданием оператора F, с помощью которого можно определить состояние модели в последующий момент времени, если известно ее состояние в данный момент и значения ^и+i ,U/+]:
Ъ =F(Y„XM,Un,).
528
Оператор F определяет имитационную модель (ИМ) АПС с ее структурой, параметрами и логическими условиями. Одним из преимуществ имитационных моделей является возможность учета неконтролируемых факторов объекта, т.е. его стохастичности и логических условий функционирования Е.
Для реализации такого оператора F необходимо знать как влияет фактор Е на состояние и функционирование АПС, хотя бы в статистическом смысле. При имитации значений этого фактора используются программные датчики случайных чисел, генерирующие последовательность случайных чисел с заданным законом распределения. При построении модели закон распределения каждой случайной величины должен быть известен, т.е. должны быть заданы его вид и параметры.
При имитации АПС в модель, помимо модели технологической системы, включаются модель системы управления или ее элементов, а также датчики случайных чисел (рис. 15.8). Модель системы управления служит для имитации выработки управляющих команд U в зависимости от текущего состояния модели технологической системы.
Рис. 15.8. Состав системы имитационного моделирования гибкой производственной системы
Входное воздействие в имитационной модели может задаваться при имитации различными способами: таблично, оператором с дисплея ЭВМ, генерироваться датчиками случайных чисел, комбинацией перечисленных способов и т.д. Для выполнения этого в имитационную модель включаются специальные функциональные блоки. Изменение X в модельном времени определяется планом эксперимента и направлено на достижение поставленной цели имитационного моделирования.
Выходные данные (результаты эксперимента) о наблюдаемом векторе Y, а также при необходимости о действующих случайных факторах Е и управлении U собираются и обрабатываются специальными функциональными модулями модели.
Можно выделить три уровня представления модели АПС: концептуальную модель, алгоритмическую и программную. Любой переход от одного уровня представления к другому требует времени и интеллектуальных затрат для преобразования информации и отладки модели.
Для упрощения построения программ-имитаторов и частичной или полной автоматизации переходов от одного уровня представления к другому используются различные языки программирования.
Существует три основных направления реализации аппарата имитационного моделирования:
использование универсальных алгоритмических языков программирования;
создание и использование специализированных языков моделирования;
создание и использование проблемно-ориентированных систем моделирования.
Программирование ИМ с использованием универсальных алгоритмических языков (Паскаль, C++, PL/1 и др.) позволяет создавать ИМ практически произвольной сложности, ограничиваемой лишь доступным описанием объекта моделирования. Однако для этих языков характерно отсутствие гибкости при изменении компонент объекта моделирования, требований пользователя по количественным и качественным характеристикам, необходим высокий уровень программистов-разработчиков. Все это существенно ограничивает возможности применения алгоритмических языков для создания имитационных моделей исследования АПС.
Использование специализированных языков моделирования для разработки ИМ приводит к необходимости специальной интерпретации физических процессов объекта. Для воспроизведения в ИМ взаимодействий, в которых участвуют компоненты объекта моделирования (системы), выделяются состояния системы и описываются действия, которые переводят ее из одного состояния в другое. Языки моделирования делятся на три группы в соответствии с тремя альтернативными методологическими подходами к построению дискретных ИМ:
1)	ориентированные на события, т.е. языки, моделирующие процесс по временным моментам, в которые происходят качественные изменения в системе. Состояние системы между этими моментами не анализируется. К этому классу языков моделирования относят СИМСКРИПТ, GASP-IV, СИМПАК, СИМКОМ, СИММАК, MU-SIM АМИГО и др.;
2)	ориентированные на действия, в которых заданы условия появления событий, но не регламентировано время их появления. Эти языки исполь-530
зуются при моделировании производственных систем, описываемых нерегулярно происходящими событиями. Сюда относят языки CSL, ФОРСИМ, ECSL, GSP и др.;
3)	ориентированные на процессы, т.е. на совокупность событий, описывающих поведение системы. Написанная на таком языке программа работает так же, как и несколько программ на языке, ориентированном на события. К ним относят языки СИМУ ЛА, SOL, GPSS, INS, ПМДС и др.
Имеются языки моделирования, объединяющие преимущества отдельных подходов, например, GERT, SLAM-II.
Языки моделирования обладают двумя наиболее важными преимуществами - удобством программирования и концептуальной выразительностью. Основным недостатком языков моделирования является их относительно ограниченная гибкость с точки зрения многообразия исследуемых систем и возможного разнообразия задач их анализа и синтеза. Это приводит к необходимости разработки новых моделей для альтернативных вариантов не только технологических (тип структуры, специализация оборудования и т.п.), но и организационных (алгоритмы диспетчирования, приоритетные правила и т.п.) структур АПС. Хотя трудоемкость создания сложной модели реального объекта на специализированном языке ниже, чем на универсальном (человеко-недели или человеко-месяцы вместо человеко-месяцев или человеко-лет), суммарные трудозатраты оказываются значительными.
Дальнейшее развитие аппарата имитационного моделирования связано с созданием проблемно-ориентированных систем моделирования. Основным преимуществом таких систем имитационного моделирования является ориентация на неквалифицированного (в области программирования и разработки ИМ) пользователя. Для подготовки ИМ пользователь описывает в принятой терминологии объект моделирования и задает необходимые параметры имитационного эксперимента. В качестве базового аппарата проблемно-ориентированных систем ИМ используются как универсальные алгоритмические языки программирования, так и специализированные языки моделирования (см. табл. 15.2).
К проблемно-ориентированным системам ИМ предъявляется требование автоматизации процесса разработки (формирования) имитационных моделей. Можно выделить два основных направления автоматизации процесса формирования моделей с помощью ЭВМ:
1) с применением средств графического ввода информации об объекте моделирования (Q-GEPT, ИМ на базе алгоритмических языков программирования);
2) с использованием диалоговых систем ввода информации об объекте моделирования (ПОДСИМ, АСИМПТОТА, СИММАК, СИАМАК).
Укрупненный алгоритм имитационной модели АПС, основанной на моделировании событий, приведен на рис. 15.9. Основным блоком модели является блок анализа событий, происходящих в системе. При наступлении того или иного события в модели происходит появление новых объектов (например, партии деталей), изменение параметров объектов (например, состояния станка - рабочее, отказ), начало или окончание некоторого действия над объектом (например, транспортирование инструмента), уход объекта из смены, завершение работы модели по наступлении события конца моделируемого периода.
531
15.2. Языки имитационного моделирования
Средства	Базовый язык	Способ представления процессов	Метод описания объектов	Характер моделируемых процессов
АМИГО		События	Сети Петри	с,д
АССИМПТОТА	GPSS	Транзакты	СМО	д
АССИМПТОТА-СМ	GPSS	Транзакты	СМО	с,д
ДСИМ		События		
МИМ	Фортран Паскаль	Действия		д
MHSSIM	Паскаль	Предикаты	СМО,ИИ	
ПОДСИМ	GASP-IV Паскаль	События	СМО	с,д
САПР-Оргпроект-ИЖ	GPSS	Действия	Агрегирование	д
САПР-ИМ-ГАЛ	Паскаль			с,д
СИМПЛ-1	PL-1	Процесс	Сети Петри	С,д
SIMDIS	GPSS	Действия	Агрегирование	с,д
ПЛИС	PL-1	Транзакты	Агрегирование	с,д
СИМФОР	GASP-IV	События	СМО	С,д
СИММАК	GPSS	Действия	Агрегирование	с,д
Process Charter 1.0.2		Действия	Структурная схема	Q
Powerswim 2.01		Процесс	Система обозначений Dynamik Data Exchange	Непрерывный дискретный
Ithink 3.0.61		Процесс	Тоже	То же
Extend+BPR 3.1			Блоки	То же
Принятые обозначения: С - стохастический, Д - детерминированный.
В результате анализа событий в имитационной модели осуществляется запуск подпрограммы обработки текущего события. При этом прогнозируется время наступления будущего события (или событий), инициируемого текущим. Например, если наступило событие отказа станка, то прогнозируется (моделируется) время, когда произойдет восстановление станка, событие «восстановление станка» заносится в список будущих событий модели и фиксируется время его наступления.
После выполнения подпрограммы обработки очередного текущего события осуществляется продвижение модельного времени до следующего ближайшего по времени события в списке будущих событий. Осуществляется распознавание события и запуск подпрограммы его обработки. Процесс имитации продолжается до наступления события окончания времени моделирования или какого-либо другого признака, например, отсутствия в списке событий, получения требуемой статистики и т.д.
Характеристики средств имитационного моделирования, применяемых при проектировании АПС.
Имитационная модель содержит следующие основные функциональные модули (подпрограммы): имитации поступления партий заготовок на склад АПС, поступления инструмента на склад АПС, выхода партий деталей из АПС, определения нормативно-технологической информации, имитации отказов основного и транспортного оборудования, восстановления
532
Рис. 15.9. Укрупненный алгоритм имитационной модели гибкой производственной системы
основного и транспортного оборудования, загрузки и освобождения оборудования, переналадки оборудования, комплектации инструмента, транспортных операций, а также модули принятия решений по диспетчированию основного и транспортного оборудования, распознавания событий, сбора и обработки статистических данных, ввода и вывода данных и ряд других.
533
Часть функциональных модулей представляет собой стандартные программы специализированного языка моделирования, другие модули разрабатываются проектировщиком на том же языке или на универсальном. Программные модули объединяются в пакет моделирующих программ. Модульный принцип позволяет реализовывать программную генерацию имитационных моделей.
Приведенные выше программные средства моделирования предназначены для использования с универсальными однопроцессорными ЭВМ. Основные требования, предъявляемые к таким ЭВМ, сводятся к наличию оперативной и внешней памяти большой емкости и высокому быстродействию процессора. Использование современных быстродействующих ЭВМ позволяет не только уменьшить время прогона каждого эксперимента при ИМ АПС, но и значительно обогатить интерфейс пользователя введением графического отображения выходной информации, объединением систем моделирования и проектирования, использованием диалогового режима работы. Перспективным является применение для целей ИМ АПС распределенных сетей моделирования.
Структуру, состав, а также технологию подготовки имитационного исследования АПС рассмотрим на примере системы имитационного моделирования ПОДСИМ АПС, разработанной в МГТУ им. Н.Э. Баумана и находящейся в промышленной эксплуатации с 1985 г.
Проблемно-ориентированная диалоговая система имитационного моделирования (ПОДСИМ) предназначена для моделирования дискретных производственных систем механической обработки, включающих группы основного технологического оборудования, вспомогательного оборудования, транспортно-накопительную систему и систему управления, реализующую различные алгоритмы управления. Моделируются как детерминированные, так и стохастические процессы.
Запуск деталей в производство и их обработка осуществляются партиями, которые для транспортировки делятся на транспортные подпартии. Обработка может выполняться по альтернативным маршрутам, учитываются процессы наладки и переналадки.
При обработке корпусных деталей моделируются процессы сборки, разработки спутников, установки деталей, транспортирование спутников.
Отдельные группы оборудования объединены независимыми транспортными средствами. Число и расположение групп может быть различным (рис. 15.10). Движение деталей возможно как через склад, так и между группами оборудования. Кроме потоков изделий, имеется возможность моделировать инструментальные потоки и потоки приспособлений.
Предполагается, что технологическое оборудование и ТС подвержены действию случайного потока отказов с определенными характеристиками. При возникновении отказа процесс обслуживания заявки прерывается на время восстановления средства обслуживания.
Общее количество оборудования определяется возможностями технических средств моделирования и задачами моделирования. ПОДСИМ реализован на ЭВМ и комплексах: PC/AT, VAX и др. При объеме памяти 2-4 Мбайт возможно моделирование АПС, включающей до 99 групп оборудования по 100 единиц оборудования в каждой с общим складом.
534
о <
СЗР
ОЦ
мм
ОЦ
Рис. 15.10. Пример компоновки ГАУ механообработки:
С - склад, Ш - штабелер, ТУ - тележка, СЗР - станция загрузки-разгрузки, ОЦ - обрабатывающий центр, ММ - моющая машина
В ПОДСИМ имеются программы расчета необходимой длительности времени моделирования для получения заданной статистической точности результатов.
Все возможности ПОДСИМ по формированию исходных данных, генерации варианта имитационной модели и непосредственному управлению процессом моделирования реализованы с помощью диалоговых процедур. Диалоговая система создания и обслуживания массивов исходной информации предназначена для создания и обслуживания файлов исходной планово-технической информации по основному и транспортному оборудованию в автономном от процесса моделирования режиме.
Время генерации ИМ на PC/AT с процессором 486DX2-66 - 5-10 мин. Возможно активное внесение изменений в процесс моделирования по результатам моделирования. Время одного прогона для моделирования АПС средней сложности (до 100 единиц оборудования) в расчете на полную программу - 3-10 мин.
В качестве количественного показателя, комплексно оценивающего эффективность функционирования производственной системы, используются технико-экономические показатели, в том числе средние удельные приведенные затраты на создание и функционирование комплекса, приходящихся на одну транспортную партию выпускаемых изделий. Для использования этого показателя в качестве критерия оценки организационнотехнологических и управленческих решений в него включены также затраты на незавершенное производство и потери, связанные с нарушением плановых сроков выпуска изделий.
535
Форму и вид представления информации о результатах моделирования назначает исследователь, исходя из целей моделирования, требований заказчика и возможностей используемых технических средств. Имеющиеся программные возможности представляются в виде распечаток системы показателей, табличном или графическом виде.
Исходные данные для моделирования содержат следующую информацию общего характера:
информацию, описывающую организационно-технологическую структуру АПС;
планово-технологическую информацию;
экономические параметры;
число и наименования показателей функционирования; по которым должна собираться статистическая информация;
требования по форме представления результатов моделирования;
дополнительные сведения, определенные условиями конкретной задачи.
Функциональная структура ПОДСИМ включает три основные взаимодействующие между собой части: пакет моделирующих программ; программный генератор моделей и информационная подсистема.
Основным функциональным элементом ПОДСИМ является пакет моделирующих программ. Он содержит информацию об алгоритмических и структурных параметрах моделируемого класса объектов и набор моделей различного уровня их описания. Пользователь при этом описывает количественные параметры объекта в исходных данных, а алгоритмические и структурные параметры - в задании на создание имитационной модели. Диалоговые модули пакета позволяют описывать структуру АПС с разной степенью детализации.
Пакет моделирующих программ представляет собой набор программных модулей (подпрограмм), написанных на языке Фортран и реализующих различные функции, необходимые для моделирования производственного объекта. Состав и структура специальных модулей пакета определяется автоматизировано в диалоговом режиме с помощью программного генератора.
Информационная подсистема ПОДСИМ объединяет информационные массивы исходных данных, необходимых для работы моделей, и программные средства их создания и корректировки.
Основное назначение информационной подсистемы - создание базы данных моделирования ПОДСИМ АПС, для чего в ней имеются следующие функции: создания и эксплуатации основных информационных файлов, автономной работы для решения задач справочного характера, выдачи и преобразования необходимой для моделирования информации в заданном формате.
Все основные возможности системы реализуются с помощью диалоговых процедур на различных этапах работы в ПОДСИМ.
В ПОДСИМ реализованы два уровня диалога: диалог на уровне генерации варианта имитационной модели с помощью программного генератора и диалог на уровне непосредственного моделирования при работе с программой имитационной модели.
536
Диалог на уровне генерации модели позволяет создавать модели АПС заданной структуры для решения конкретных задач моделирования, полностью исключив при этом процесс программирования.
При этом от пользователя требуется знание терминологии входного языка для генерации ИМ, а также знание общих принципов построения ПОДСИМ.
Приложение методов искусственного интеллекта к задачам моделирования производственных процессов
Дальнейшим направлением развития «неалгоритмических» параллельных систем с недетерминированным поведением, в которых отдельные компоненты взаимодействуют друг с другом время от времени и независимо, можно считать методы, разрабатываемые в искусственном интеллекте. Данное направление исследований позволяет выработать определенные подходы к решению задачи формализации рассматриваемых систем и процессов. Указанные методы обеспечивают возможность выделения и формализации знания о системе и использования их в процессах моделирования, управления, проектирования.
Системы, основанные на знаниях, определяются как системы программного обеспечения, основными структурными элементами которых являются база знаний и механизм логического вывода.
Знания обычно представляются в виде фактов, характерных для окружающего мира (т.е. классов объектов и взаимосвязей между ними), процедур и правил манипулирования фактами, а также в виде информации о том, когда и как следует применять правила и процедуры.
• В системах, основанных на концепциях ИИ, знания представляются в конкретной форме, а имеющаяся база знаний (БЗ) позволяет их легко определять, модифицировать и пополнять. Решение задач осуществляется с помощью логического вывода на основе знаний, хранящихся в БЗ независимо от механизма управления файлами БЗ.
Типичные модели представления знаний: логическая модель; модель, основанная на использовании правил (продукционная модель); модель, основанная на использовании фреймов; модель семантической сети и др.
Например, продукционная система состоит из трех, уже определенных элементов: классов и отношений, правил, управляющей структуры. Классы и отношения трактуются как «база данных» (БД), которая по существу содержит декларативные знания. Процедуры представляют собой набор правил типа «ЕСЛИ (условие) ТО (действие)», а управляющая структура определяет, какое правило должно быть проверено следующим. Часто управляющую структуру называют интерпретатором правил. «Условие» - это проверка состояния БД, а «действие» некоторым образом изменяет содержание БД.
Вывод выполняется в виде циклов, в каждом из которых выполняемая часть выбранного правила обновляет базу данных. В результате содержимое БД преобразуется от первоначального к целевому. Иначе говоря, для системы продукций характерен простой цикл выбора и выполнения (или оценки) правил, однако из-за необходимости периодического сопоставления с образцом в базе правил с увеличением числа последних существенно замедляется скорость вывода. Следовательно, такие системы не пригодны для решения задач с большим числом правил в БЗ.
537
К пакетам программ, предназначенных для моделирования КИП, предъявляются следующие требования: имитационная модель должна легко создаваться и изменяться; модель должна быть «дружественной» по отношению к пользователю; модель должна иметь модульную структуру; должна допускать использование различных показателей для оценки эффективности моделируемой АПС. Для того чтобы удовлетворить всем перечисленным требованиям, предлагается использование экспертных систем (ЭС) в сочетании с пакетами программ ИМ.
Совместное использование ЭС и системы моделирования возможно в следующих сочетаниях:
1)	включение в состав друг друга;
2)	параллельное использование обеих систем для решения одной и той же задачи;
3)	использование элементов системы имитационного моделирования в ЭС и наоборот;
4)	интеллектуальный интерфейс пользователя с системой имитационного моделирования.
Для организации взаимосвязанных систем имитационного моделирования и ЭС разработаны специальные системы ИИ, языки T-PROLOG, ТС-PROLOG, методики SLIN и пакеты программ. Имеются разработки гибридных систем моделирования:
IC	ARE - для проектирования ПС;
XM	AS - для использования при моделировании ПС;
FM	S/CML - для разработки технологии, моделирования проектов АПС, управления АПС;
FMS Similator - для построения имитационной модели АПС и ее проверки.
Примером использования ЭС при ИМ может служить упомянутая выше система MATRES.
Сочетание ЭС с ИМ CIM позволяет получить качественно новую ступень в создании инструментальных средств проектирования CIM и ее системы оперативного управления. Если имитационные модели имеют описательный характер, то модели, используемые в ЭС, имеют преобразовательный характер, отражающий деятельность специалиста при проектировании. Поэтому задачи, решаемые на имитационных моделях традиционно с помощью специалиста, могут решаться в ЭС без его участия.
Системы, полученные как сочетание ЭС и ИМ, получили название гибридных. В таких системах обычная ЭС первого поколения играет роль интеллектуального интерфейса, позволяющая пользователю выходить на модели и методы традиционного математического характера. При этом, как и в системах первого поколения, пользователь может ничего не знать о тех средствах, которые привлекает система для решения интересующей его задачи. Гибридная ЭС реализует функции не только интеллектуального интерфейса, но и интеллектуального вычислителя.
Технология проведения машинных экспериментов
Имитационное моделирование АПС является по существу экспериментальным методом, использующим определенную технологию проведения имитационного исследования на ЭВМ. Алгоритм решения задачи с
538
использованием ИМ основан на целенаправленном проведении имитационного исследования с ИМ.
При наличии у исследователя необходимых инструментальных средств процесс моделирования АПС в общем случае включает три крупных этапа:
I	- формализация задачи, выбор методов и средств моделирования;
II	- генерация модели исследуемой АПС и планирование имитационных экспериментов;
III	- реализация имитационных прогонов и обработка результатов моделирования.
В зависимости от постановки проектной задачи имитационные эксперименты проводят на одной и той же модели или на группе моделей АПС. Последнее имеет место, например, при анализе влияния различных структур АПС или различного числа базовых элементов. В любом случае для проведения серии экспериментов необходима генерация ИМ, отвечающая конкретной задаче исследования.
Средства моделирования выбирают на основании формулировок задач, формализованного представления модели объекта и технических характеристик ЭВМ и программного обеспечения, имеющихся в распоряжении исследователя. Поэтому формализацию АПС и выбор средств моделирования проводят параллельно. Процесс плохо формализуем и должен быть выполнен высококвалифицированным специалистом.
Выбор средств моделирования определяет способ формирования технологической базы данных, т.е. создания в системе моделирования массивов информации об элементах АПС, обрабатываемых деталях, технологических процессах, а также способ описания алгоритмов диспетчирования моделируемых процессов.
Генерация модели является одним из наиболее сложных вопросов моделирования, и ее должны выполнять высококвалифицированные специалисты. При этом выбирается требуемая детализация модели. От решения этого вопроса зависит достижение компромисса между обеспечением требуемой точности моделирования и затрат времени на проведение экспериментов.
Например, функционирование АПС, состоящей из нескольких гибких производственных ячеек и роботизированных комплексов, можно моделировать на нескольких уровнях детализации, приняв в качестве наименьшей структурной единицы:
1)	гибкий технологический модуль;
2)	отдельные гибкие производственные ячейки и роботизированные комплексы;
3)	отдельные станки и промышленные роботы;
4)	отдельные механизмы станков и роботов.
Повышение уровня автоматизации создания модели возможно с привлечением аппарата нечетких множеств, экспертных оценок.
Проведение имитационных экспериментов функционирования АПС связано с вариацией большого числа сочетаний управляемых параметров. Каждый машинный эксперимент проводится при их определенном сочетании. Поэтому для решения проектных или исследовательских задач в области АПС методами имитационного моделирования требуется проведение такого числа экспериментов, которое при имеющихся ограниченных вы
539
числительных и временных ресурсах не может быть выполнено. Целью планирования является разработка таких планов проведения экспериментов, которые позволяют значительно сократить общее время проведения машинных экспериментов при обеспечении необходимой точности. В задачи планирования входят определение:
начальных значений варьируемых параметров;
последовательности проведения экспериментов;
методики проведения эксперимента;
объемов выборки и отсечки;
формы представления результатов.
Планирование проведения имитационного исследования моделируемого объекта осуществляется так же, как если бы мы имели возможность ставить эксперимент на реально действующем объекте.
Можно выделить два вида проведения имитационных экспериментов:
1) «жесткий» имитационный эксперимент, для которого совокупность входных переменных, ИМ, управляемые переменные и алгоритмы управления зафиксированы в течение всего имитационного исследования;
2) «адаптируемый» имитационный эксперимент.
С помощью «жесткого» эксперимента решается большое число практических задач, не требующих применения специальных методов и методик имитационного эксперимента. «Адаптируемый» эксперимент применяется обычно для задач большой размерности и задач, требующих высокой точности. Однако его применение связано с разработкой специальных методик варьирования переменными атрибутами в ходе эксперимента и с высокой квалификацией исследователя.
В случае ограничения временного ресурса исследования, планы имитационных экспериментов должны предусматривать возможность отсеивания незначимых факторов, сужения области варьирования исходных данных в ходе проведения имитационного эксперимента.
Объем выборки (количество наблюдений) влияет на статистическую надежность оцениваемой совокупности показателей исследуемой АПС. Различают следующие основные методы увеличения статистической надежности результатов моделирования:
уменьшение длины тактов по времени (для ИМ по временным тактам) либо увеличение числа наблюдений за тот же период времени;
повторение имитационных прогонов при моделировании с изменением начальных значений баз генераторов случайных чисел (для стохастических ИМ);
В большинстве случаев ИМ используются для изучения установившихся режимов функционирования АПС. Но в начальный период работы АПС, а также при значительном изменении условий ее функционирования существуют переходные режимы. Длительности переходных режимов в АПС по сравнению с периодом установившихся режимов могут быть достаточно большими. Значения выходных характеристик, измеренные с учетом переходных периодов, смещают получаемые статистические оценки. Уменьшить ошибки, обусловленные переходными режимами можно, увеличив период моделирования или исключив из собираемых статистических данных данные, относящиеся к переходным периодам.
Объем отсечки - число наблюдений (или время), исключаемых из собранной статистики по анализируемым показателям функционирования
540
венных оценок показателей, в том числе времени окончания процедуры, и условий оптимальности (критериев). При выборе критериев из числа показателей к ним предъявляются требования:
1.	Значимость.
2.	Непротиворечивость глобальному критерию.
3.	Управляемость.
4.	Непротиворечивость известным практическим результатам.
5.	Непротиворечивость здравому смыслу.
6.	Удобство формирования машинных алгоритмов.
7.	Желательность единого критерия.
Концептуальная модель - это абстрактная модель, определяющая обычно словесно состав и структуру системы, свойства ее элементов, характер внутренних и внешних связей. Исходя из цели исследования, устанавливается степень и уровни детализации модели, состав оставляемых для дальнейших исследований показателей и внешних воздействий, их формы представления, методы описания динамики работы системы. В концептуальной модели находят отражение главным образом качественные характеристики производственной системы и ее внешних воздействий. Их количественные значения, необходимые для моделирования системы, определяются при подготовке исходных данных.
Разработка модели, как правило, проводится для вновь создаваемой, несуществующей производственной системы. Такие ее свойства как гибкость, стохастичность предполагают работу в изменяющихся, часто заранее неизвестных условиях. Поэтому исходные данные модели ПС характеризуются значительной неопределенностью. Это относится к номенклатуре изготавливаемых в ПС изделий на планируемом интервале времени, технологических маршрутах, вероятностных характеристиках отказов оборудования, управляющих ЭВМ и т.д.
Неопределенность исходных данных и форма их представления влияет в дальнейшем на процедуру моделирования и степень достоверности получаемых в результате моделирования результатов. Окончательное формирование исходных данных осуществляется специалистом предметной области, хорошо знакомым с технологией моделирования. Определению подлежат: номенклатура изделий, включаемых в программу испытаний, последовательность их запуска (или алгоритм), вид законов распределения случайных параметров и т.д. В зависимости от задач моделирования формирование исходных данных может быть направлено на выявление среднестатистических результатов установившихся процессов, наиболее неблагоприятных результатов поведения системы в переходных режимах или совокупности этих задач.
В задачи моделирования может входить определение отдельных выходных характеристик с различной степенью точности.
Методами получения исходных данных могут быть: теоретические, исходя из природы функционирования ПС, экспериментальные, на основании наблюдения за аналогичными объектами и последующего использования методов математической статистики, регрессионного, корреляционного или дисперсионного анализа, гипотетические на основании экспертных предположений специалистов.
В связи с большим разнообразием различных структур отдельных систем и подсистем АПС, их различной сложности и физической природы
515
АПС. Объем отсечки характеризует период переходного процесса в ИМ до начала сбора статистических данных.
При моделировании нестационарных режимов требуется проведение повторных экспериментов. В этом случае число экспериментов существенно увеличивается, что выдвигает особые требования по их планированию. Для принятия решения о влиянии переходных режимов и планирования их исследований нужна информация о наличии и характере процессов, реализуемых моделью. Такая информация может быть получена на основании предварительных аналитических расчетов или имитации по упрощенным моделям.
Разработан ряд эвристических процедур определения необходимых объемов выборки и отсечки, наиболее распространенные из которых основаны на анализе динамики изменения показателей в ходе имитационного эксперимента. Объемы выборки и отсечки, либо соответствующие времена функционирования объекта моделирования фиксируются в задании на имитационный прогон.
В зависимости от выбранной методики получения требуемой статистической точности оценки показателей функционирования на ИМ расчеты осуществляются либо в одну длительную, либо в несколько более коротких итераций процедуры имитационного моделирования (от запуска программы имитации и до получения окончательных результатов). В качестве рабочих рекомендаций для достаточно широкого класса задач можно ограничиться заданием величины объема выборки в 1200 наблюдений и отсечением первых 200, что позволяет получить статистическую точность оцениваемых показателей в 2-5%.
Результаты имитационных прогонов обрабатываются в соответствии с требованиями выбранного метода проведения исследований.
Анализ полученных результатов, как правило, приводит к следующим вариантам действий:
1) точность результатов соответствует требуемой - в этом случае задача считается решенной и подготавливается информационный отчет;
2) точность результатов недостаточна для принятия решения по объекту исследования - в этом случае анализируются составляющие погрешности оценки показателей функционирования. В зависимости от располагаемого ресурса моделирования и принятого метода проведения исследования рассматриваются следующие возможные варианты увеличения точности результатов моделирования:
а)	увеличение длительности моделирования (увеличение объема выборки в имитационном прогоне либо числа независимых имитационных прогонов) - сокращение статистической составляющей погрешности оценки;
б)	наращивание объемов имитационного экспериментирования в факторном пространстве - уменьшение составляющей погрешности, определяемой принятым методом проведения имитационного исследования;
в)	увеличение степени детализации ИМ.
Ниже приведена технология имитационного моделирования на основе ПОДСИЦ.
Непосредственная работа с ПОДСИМ после выбора этой системы как средства ИМ включает две стадии: неавтоматизированную и автоматизированную.
541
Первая стадия - подготовительная. Она состоит из следующих этапов.
Этап 1. Анализ структуры моделируемого объекта с целью определения возможности его моделирования с помощью ПОДСИМ.
Пользователь определяет качественное соответствие целей и исследования, структуры объекта моделирования возможностям ПОДСИМ. Определяется соответствие количественных значений параметров структуры объекта, а также объема анализируемых выходных показателей возможностям ПОДСИМ.
Этап 2. Сбор и подготовка исходной информации.
Подготавливается вся необходимая информация для определения структуры модели и состава выходных показателей; создания файлов планово-технологической информации и основного и транспортного оборудования.
Этап 3. Подготовка планов имитационных экспериментов.
Определяются параметры модели, которые будут варьироваться в процессе моделирования, и их количественные значения. Изменение варьируемых параметров объекта может осуществляться либо непосредственно при моделировании в диалоговом режиме, либо автономно путем корректировки информации в файлах исходных данных с помощью диалоговой системы подготовки исходных данных. Оцениваются необходимые затраты машинного времени с учетом объема экспериментов и сложности модели.
Вторая стадия работы автоматизирована и в общем случае состоит из следующих этапов:
1.	Генерации, трансляции и компоновки имитационной модели.
В режиме диалога пользователь с помощью программного генератора моделей определяет необходимую конфигурацию варианта имитационной модели. В результате формируются файлы с текстами специальных подпрограмм на Фортране.
В пакетном режиме транслируются специальные подпрограммы и полученные объектные имитационной модели совместно модули компонуются в загрузочный модуль с объектными модулями СИМФОР (GASP-IV).
2.	Создания файлов исходных данных.
С помощью диалоговой системы подготовки исходных данных в режиме диалога формируются два файла: планово-технологической информации; информации по основному и транспортному оборудованию.
На этом же этапе может быть проведена полная или выборочная коррекция всех атрибутов файлов плановой технологии и оборудования, а также осуществлен их вывод на экран дисплея или на печатающее устройство с целью контроля.
3.	Проведения имитационных экспериментов.
Особенностью этого этапа является возможность непосредственного участия пользователя в процессе моделирования. Такая возможность обеспечивается интерактивным режимом моделирования, который позволяет:
на этапе инициализации переменных и массивов модели корректировать параметры модели, что дает возможность получения результатов для различных значений параметров при одном запуске загрузочного модуля модели;
останавливать моделирование в любой момент времени для вывода промежуточных результатов;
542
осуществлять трассировку процесса моделирования, т.е. наблюдать на экране терминала за ходом моделирования;
по окончании очередной реализации получать информацию о достаточности выборки для заданной статистической точности получаемых результатов и при необходимости продолжать реализацию до получения этой точности;
начинать новую реализацию или завершать моделирование.
Активизация интерактивного режима осуществляется с помощью специального монитора ПОДСИМ.
500
4972
Пример анализа на имитационной модели влияния ненадежности металлорежущего оборудования на характеристики ГПС Формулировка задачи исследования: определить критический уровень надежности металлорежущего оборудования ГПС в составе обрабатывающих центров типа ИР-500 для фиксированной номенклатуры выпуска. ГПС характеризуется следующими данными:
Число групп основного оборудования	9
Число транспортных устройств	1
число штабелеров
Емкость склада, ячеек
Число групп наладок
Число наименований деталей
Эффективный фонд времени, ч
Критический уровень надежности оборудования определяется значением удельной работоспособности оборудования ГПС, при котором происходит срыв планируемого объема выпуска, т.е. производственная система не справляется с обработкой заданного количества изделий.
Анализ проектных данных позволил зафиксировать интервал возможного изменения удельной работоспособности ОЦ в интервале 0,025 - 0,1. В группу анализируемых показателей функционирования включены следующие: средняя производительность ГПС, передаточных партий в ч; средняя длительность производственного цикла; среднее время ожидания восстановления оборудования после отказа, ч/передаточная партия; группа стоимостных показателей функционирования ГПС (включая средние приведенные затраты), руб./передаточная партия.
Таким образом, средства моделирования должны удовлетворять требованиям:
1)	обеспечивать моделирование процессов отказов и восстановления оборудования ГПС, т.е. стохастических процессов;
2)	обеспечивать возможность получения технических и экономических показателей производственного процесса;
3)	позволять реализовывать структурно-компоновочные решения на разных уровнях детализации.
Решение задачи может быть осуществлено на основе системы имитационного моделирования ПОДСИМ.
Т
Вариацию удельной работоспособности Е = —металлорежущего ^отк
оборудования ГПС будем осуществлять варьируя среднее время наработки
543
на отказ Готк. Среднее время восстановления Гвос примем постоянным и равным 5. В экспериментах, для анализа интервала изменения удельной работоспособности 0,025 - 0,1 примем следующие значения среднего времени наработки на отказ: 200, 150 и 50.
Так как период функционирования длительный (4972 ч), учтем установившийся режим производственного процесса. Для задания значений переменных имитационного моделирования воспользуемся рекомендациями. Зафиксируем для отдельного имитационного прогона объем выборки в 1200 наблюдений и объем отсечки 200.
Число независимых прогонов (начальное) примем равным десяти, что позволяет использовать для обработки результатов статистику Стьюдента.
Для подготовки ИМ объекта исследования в режиме диалога ПОДСИМ ГПС описывается объект моделирования и состав требуемой результирующей информации. Степень детализации ИМ определяется структурно-компоновочным решением и постановкой задачи исследования. Для сокращения времени моделирования в ИМ не включаются блоки моделирования таких процессов, как отказы и восстановление транспортного устройства, штабелера и некоторые другие.
Имитационный эксперимент начинается с инициализации ИМ - пользователь задает величины управляемых переменных (выборка и отсечка), а также группу входных переменных варьируемых на данном уровне.
Некоторые результаты экспериментов представлены на рис. 15.11. Критическое значение Е соответствует ситуации, когда производственная
Рис. 15.11. Результаты моделирования АПС
П - производительность, перед, партий/час; Д - длительность производственного цикла, час/перед. партию; О - время ожидания при ремонте, час/перед. партию
система не справляется со входным потоком заготовок по номенклатуре выпуска. Информация о «потере заявок», т.е. игнорировании отдельных партий запуска из-за невозможности размещения на складе ГПС выдается в виде сообщения: «На ЦС нет места - заявка потеряна, деталь №.... По ре-544
зультатам имитационных экспериментов сделаны выводы для рассмотренного проектного решения.
1.	Время наработки на отказ ОЦ (для исследуемого интервала изменения 200-50 ч) не оказывает статистически значимого влияния на показатель средней производительности этой ГПС.
2.	Изменение параметра времени наработки на отказ в интервале 150— 200 ч не оказывает статистически значимого влияния на основные показатели функционирования ГПС (за исключением показателя ДПЦ).
3.	Среднее время наработки на отказ 50 ч при средней длительности восстановления 5 ч определяют критическое значение £ = 0,1. Эксперименты при выявили возможность блокировки (сбоя) нормального хода производственного процесса ГПС, т.е. средняя наработка на отказ менее 50-70 ч при средней длительности восстановления недопустима.
4.	Использование при управлении процессом функционирования ГПС приоритетных правил, отличных от FIFO («первым пришел - первым обслужен»), увеличивает вероятность получения (непредставительного результата моделирования.,
Наиболее чувствителен к автокорреляции процесса моделирования функционирования показатель длительности производственного цикла (ДПЦ); наименее чувствителен показатель средней производительности ГПС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Альянх И.Н. Моделирование вычислительных систем. -М.: Машиностроение, 1988-223 с.
2.	Боровков А.А. Математическая статистика. - М.: Наука, 1984 - 462 с.
3.	Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. - М.: Наука, 1977.-240 с.
4.	Бусленко Н.П., Калашников В.В., Коваленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. - М.: Сов. радио, 1973 - 440 с.
5.	Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. - М.: Наука, 1978. 400 с.
6.	Вентцель Е.С. Теория вероятности. - М.: Физматгиз, 1962.-564 с.
7.	Горнев В.Ф., Емельянов В.В., Овсянников М.В. Оперативное управление в ГПС. -М.: Машиностроение, 1990.-256 с.
8.	Горнев В.Ф., Лагута В.С. Концептуальная модель для оценки проектных решений ГПС с использованием имитационного моделирования/ Труды МГТУ. - М.: МГТУ, 1991.
9.	Емельянов В.В., Ясиновский С.И. Введение в имитационное моделирование сложных дискретных систем и процессов. Язык РДО. - М.: «АНВИК», 1998. - 422 с.
10.	Железнов И.Г. Сложные технические системы (оценка характеристик). - М.: Высшая школа, 1984. - 119 с.
11.	Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. -М.: Высшая школа, 1982.-256 с.
12.	Имитационное моделирование производственных систем /Под ред. А.А. Вавилова -М.: Машиностроение; Берлин: Ферлаг Техник, 1983. - 416 с.
13.	Клеинен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. - М.: Мир, 1978, т. 1 -222 с., т.2-395 с.
545
14.	Клейнрок Л. Теория массового обслуживания /Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1979.-432 с.
15.	Котов В.Е. Сети Петри. - М.: Наука, 1984. - 160 с.
16.	Марковиц Г., Хауснер Б., Карр Г. СМИСКРИПТ. Алгоритмический язык для моделирования /Пер. с англ. - М.: Советское радио, 1966. - 152 с.
17.	Моделирование робототехнических систем в ГАП /Под ред. Макарова И.М. в 9 кн. Кн. 5, 1986.
18.	Мудров В. И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. - М.: Советское радио, 1976.-190 с.
19.	Нейлор Т. Машинные эксперименты с моделями экономических систем. - М.: Мир, 1975.-502 с.
20.	Орловский Н.И. Введение в теорию нечетких множеств. - М.: Калуга, 1982. - 208 с.
21.	Основы моделирования сложных систем / Л.И. Дыхненко, В.Ф. Кабаненко, И.В. Кузьмин и др. - Киев: Вища школа, 1981.- 359 с.
22.	Первозванский А.А. Математические модели в управлении производством. - М.: Наука, 1975. - 615 с.
23.	Петрович М.Л. Регрессионный анализ и его математическое обеспечение на ЕС ЭВМ. - М.: Финансы и статистика, 1982. - 199 с.
24.	Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Пер. с англ. - М.: Мир, 1984.-284 с.
25.	Планирование эксперимента в исследовании технологических проектов / К. Хартман, Э. Лецкин, В. Шеффер и др. - М.: Мир, 1977. -552 с.
26.	Прицкер А. Введение в имитационное моделирование и язык СЛАМ П. - М.: Мир, 1987.-646 с.
27.	Распределенные системы моделирования / В.В. Пирогов, С.Ф. Гайстеров, В.Н. Батрак и др. /Под ред. В.В. Пирогова. - Рига: Зинатне, 1984. - 175 с.
28.	Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее применение /Пер. с англ. -М.: Советское радио, 1971. - 520 с.
29.	Системное проектирование ИАСУ ГПС машиностроения /Ю.М. Соломенев, В.А. Исаченко, В.Я. Полыскалин и др. Под ред. Ю.М. Соломенцева и др. - М.: Машиностроение, 1988.-488 с.
30.	Советов В.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 1985. -271 с.
31.	Технология системного моделирования / Е.В. Авренчук, А.А. Вавилов, С.В. Емельянов и др. Под общ. ред. С.В. Емельянова и др. - М.: Машиностроение; Берлин: Техник, 1988.-520 с.
32.	Успенский А.Б., Федоров В.В. Вычислительные аспекты метода наименьших квадратов при анализе и планировании регрессионных экспериментов. - М.: МГУ, 1975. -168 с.
33.	Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем (оптимизационно-имитационный подход). -М.: Наука, 1985.-174 с.
34.	Шеннон Р. Имитационное моделирование систем - искусство и наука. /Пер. с англ. -М.: Мир, 1978.-418 с.
Глава 16.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СТАНОЧНЫХ СИСТЕМ
16.1.	Задачи конструкторского проектирования
На начальных стадиях проектирования модель станочной системы (СтС) может быть представлена в виде черного ящика (рис. 16.1). Для реализации процесса преобразования (рабочей функции) начального (или промежуточного) состояния полуфабриката в его конечное (промежуточное) состояние заданным технологическим процессом в общем виде необходимо наличие материального, энергетического и информационного потоков. На вход СтС поступают полуфабрикаты, инструменты и различные вспомогательные материалы, а на выход - преобразованный продукт труда и отходы. Для осуществления технологического процесса (ТП) необходима энергия, которая на выходе СтС преобразуется в теплоту, растрачивается на вибрации. В управлении СтС участвует информационный поток: на выходе - информация о ходе технологического процесса (например, производительность, качество, надежность).
Модель, приведенную на рис. 16.1, можно считать общей для всех видов СтС. Конкретное же содержание и объем описания материальных, энергетических и информационных потоков будут соответствовать описанию реализуемого элемента (части) технологического процесса.
Энергия
Управляющая информация
Теплота Мрация Информация о ходе ТП
Рис. 16.1. Общая модель станочной системы
Из рассмотрения общей системной модели СтС можно укрупненно выделить следующие вспомогательные и обслуживающие функции, которые должна осуществлять любая СтС при преобразовании вещества и материалов:
подать сырье (полуфабрикат) в зону обработки;
снять готовый продукт труда (полуфабрикат);
принять и распределить по потребителям вспомогательные материалы;
547
принять и установить инструменты;
удалить отходы, образующиеся в процессе функционирования СтС; воспринять и преобразовать (при необходимости) энергию извне;
уменьшить воздействие на технологический процесс (его часть) сопутствующих ему вредных факторов (рассеять теплоту, погасить вибра- -цию и т.п.);
воспринять и обработать входную управляющую информацию;
собрать и выдать информацию о протекании технологического процесса и состояния СтС (ее элементов).
Характер перечисленных функций весьма разнообразен, и для его реализации, следовательно, необходимы различные методы и технические средства. Если рассматривать структурную схему СтС, то ее необходимыми подсистемами следует считать следующие (рис. 16.2):
Энергия
Полуфабрикаты
Информация
Рабочий продукт
ЗУ
ТС
ТМ
СУ
вспомогательные материалы
плота, бибрация
Отходы
СМ
Рис. 16.2. Структурная схема станочной системы
ИС ) Инструменты
ТМ - технологические машины для выполнения части технологического процесса (основное оборудование);
Н - накопитель для временного хранения сырья или полуфабрикатов и полуфабрикатов или готовой продукции на входе-выходе СтС и ТМ;
ТС - транспортная система для подачи сырья (или полуфабрикатов) к ТМ и снятие с них полуфабрикатов (или готовой продукции);
СМ - средства жизнеобеспечения для подачи вспомогательных материалов, удаления отходов, отвода и рассеяния теплоты, гашения вибраций и т.п.;
ИС - система подготовки и подачи инструментов для обеспечения ТМ рабочим и вспомогательным инструментом;
СУ - система управления всеми элементами СтС для обеспечения заданного режима функционирования всех элементов СтС;
ЭУ - энергетическая установка для подачи (и преобразования) энергии.
Функциональные элементы технологической машины (рис. 16.3), выполняющие заданную операцию технологического процесса, следующие:
БРО - блок рабочих органов, осуществляющих рабочую функцию ТМ;
548
Нм - накопитель для временного хранения объектов обработки на входе-выходе ТМ;
ЗУ - загрузочное устройство для подачи объектов обработки к БРО и их снятия;
Сж - устройство жизнеобеспечения ТМ;
ИМ - инструментальный магазин для хранения подготовленного инструмента;
ЭУМ - энергоснабжение для обеспечения ТМ энергией;
СУМ- система управления ТМ.
Наличие системной модели объекта
Рис. 16.3. Структурная схема технологической машины
проектирования (СтС) позволяет перейти к формулировке задачи автоматизации проектирования СтС, которые определяются видами проектных работ и особенностями конструкции СтС.
При автоматизации проектирования станочных систем выделяют технологическое и конструкторское проектирование. Для технологического проектирования СтС основными исходными данными являются номенклатура и программа выпуска деталей. Различают три типа СтС в зависимости от степени детализации этих данных (табл. 16.1).
16.1. Исходные данные для проектирования станочных систем
Тип СтС	Номенклатура деталей		Программа выпуска	
	Определена	Частично определена	Определена	Частично определена
I	+	—	+	—
II	+	—	—	+
III	—	+	—	+
П р и м е ч а н и е : (+) - да; (-) - нет.
Лишь у системы типа I имеются все условия для формализации процесса принятия решения, а следовательно, его автоматизации. Для систем типов II и III необходимо знание параметров случайных закономерностей, определяющих разброс номенклатуры обрабатываемых деталей и программы их выпуска. В этих случаях СтС создается с избыточной переменной структурой, либо возможно поэтапное наращивание структуры станочной системы с учетом изменяющихся требований производства.
Конструкторское проектирование станочных систем (рис. 16.4) включает в себя компоновочное и геометрическое проектирование. Каждый из этих видов проектирования реализуется с помощью основной проектной процедуры: синтез - анализ - принятие решения. В результате компоновочного проектирования получаем структурно-компоновочную схему, т.е. схему размещения оборудования и транспортных потоков станочной системы. Геометрическое проектирование обеспечивает подготовку конструкторской документации СтС.
Геометрическое проектирование в основном осуществляется методами структурного синтеза. Сначала разрабатывают элементы общей графи-549
Рис. 16.4. Схема конструкторского проектирования станочных систем
ки (синтез геометрических объектов) и на их основе формируют элементы схем, описывающих геометрию станочных систем, например, их планировку.
Анализ при геометрическом проектировании станочных систем включает позиционные и метрические задачи. Типовые позиционные задачи: определение координат устройств СтС на плане, установление факта столкновения или касания узлов СтС, движущихся по траекториям, определение принадлежности точки плоской области или объему. Метрические задачи связаны с вычислением длин, площадей, объемов, моментов инерции, периметров, центров тяжести деталей и узлов.
Анализ при компоновочном проектировании (одно- и многовариантный) производится по моделям функционирования СтС. В основном процедуры анализа связаны с моделированием СтС для оценки их производительности. Процедура одновариантного анализа сводится к однократному решению уравнений функционирования, т.е. применяются детерминированные математические модели СтС. Многовариантный анализ осуществляют, например, при использовании стохастических моделей СтС, что требует многократного решения уравнений функционирования (см. гл. 15).
Синтез при компоновочном проектировании (см. рис. 16.4) включает процедуры синтеза элементов компоновки СтС (задачи покрытия, разбиения и поиска новых технических решений), геометрического синтеза компоновки (задачи размещения и трассировки). Кроме того, необходимо обеспечить взаимодействие с предыдущим этапом проектирования СтС (технологическое проектирование).
Задача покрытия заключается в переходе от структурной схемы СтС к ее компоновке с учетом характеристик конкретного оборудования. Задача 550
разбиения предполагает распределение операций обработки деталей по позициям СтС. Если отсутствует стандартное оборудование для обеспечения требуемого набора операций, необходимо разрабатывать оригинальное оборудование (задача поиска новых технических решений).
Задачи размещения и трассировки связаны с задачами размещения технологического оборудования и определения транспортных связей СтС (например, расчет оптимального маршрута робокара при обслуживании станков). Задачи размещения и трассировки, покрытия и разбиения обычно решаются совместно за несколько итераций.
Параметрический синтез СтС сводится к решению задачи назначения технических требований к технологическому оборудованию. При этом оптимизируются параметры СтС (число единиц оборудования), а также оптимизируются параметры самого оборудования.
Взаимодействие процедур синтеза СтС показано в виде укрупненного алгоритма (рис. 16.5). К процедуре внешнего синтеза относится задача коррекции технологического процесса в случае, если не удается обеспечить реализацию заданных технических требований (ТТ).
Рис. 16.5. Укрупненный алгоритм компоновочного проектирования станочных систем
16.2.	Математические модели и методы синтеза
Анализ задач конструирования СтС показывает, что при автоматизации процесса их проектирования наиболее трудоемкими являются задачи структурного и параметрического синтеза компоновки СтС. Автоматизированное проектирование планировки СтС обычно производится в диалоговом режиме.
Наиболее эффективные алгоритмы трассировки и размещения реали-зируются при использовании теории графов для формализации этих задач. Задачи размещения оборудования можно решать с помощью имитационного моделирования. Модели синтеза компоновки станочной системы в зависимости от возможностей оборудования, выполняющего операции технологического процесса обработки деталей, можно разбить на три типа: модель выбора СтС с полной взаимозаменяемостью станков, модель с частичной заменяемостью станков и модель с взаимозаменяемостью технологических маршрутов обработки.
Модель синтеза первого типа предполагает применение технологически взаимозаменяемых станков, различающихся по производительности, уровню автоматизации, стоимости и затратам на автоматизацию. На каждом станке z-ro типа (z = 1, 2, ... I) производится полная обработка деталей к-й группы (к = 1, 2, ... г), где г - число групп деталей, составляющих годовую производственную программу выпуска. При этом число деталей каждой группы гк. Станкоемкость обработки деталей к-й группы на станке z-ro типа составляет tik\ фактический годовой фонд времени станка z-ro типа равен где 7, - эффективный фонд времени; Ки/ - коэффициент использования станка z-ro типа. Приведенные затраты на приобретение и эксплуатацию станка составляют Cz. Требуется определить число St станков z-ro типа, составляющих СтС. Математическая модель оптимизации представлена в табл. 16.2, п.1.
Модель синтеза компоновки второго типа с частичной взаимозаменяемостью станков для СтС, на которой должна производиться обработка деталей г групп при годовой программе гк выпуска деталей каждой группы. Детали к-й группы {к = 1, 2, ... г) проходят некоторое число операций из набора Л. На каждой д-й операции из этого набора (jk = 1,2,... Л) возможно применение 5/, взаимозаменяемых станков Ij типов (ij = 1, 2, ... I/), отличающихся друг от друга производительностью и уровнем автоматизации, стоимостью и затратами на эксплуатацию. Станкоемкость обработки детали к-й группы на д-й операции, осуществляемой на станке z)-ro типа, равна реальный годовой фонд времени станка z)-ro типа составляет Ту Ки/у, а приведенные затраты на его приобретение и эксплуатацию равны Су.
Необходимо определить оптимальное число станков каждого типа St-соответствующего уровня автоматизации для каждой операции (п. 2, табл. 16.2).
Модель синтеза компоновок станочных систем с взаимозаменяемостью технологических маршрутов обработки (внутри каждой к-й группы деталей) строится также для г групп деталей с годовой программой гк выпуска деталей каждой группы. Для деталей каждой к-й группы возможна реализация М* технологических маршрутов. Станкоемкость обработки деталей к-й группы на станке z-ro типа 552
no jr му маршруту (Д = 1,2, ... М*) составляет Реальный годовой фонд времени работы станка i-ro типа равен Т/Ки/. Во всех технологических маршрутах обработки всех групп деталей используется /-го типов станков. Приведенные затраты на приобретение и эксплуатационные издержки станков z-го типа равны С,, т.е. имеется некоторое множество технологических маршрутов, соответствующих множеству обрабатываемых деталей. Требуется определить оптимальный уровень автоматизации станков (тип станка) и их число, а также перечень технологических маршрутов обработки (см. 3, табл. 16.2).
16.2. Модель синтеза компоновки СтС
Тип модели	Характеристика СтС	Варьируемая переменная	Ограничения	Целевая функция
1	Из технологически взаимозаменяемых станков	5,-число станков /-го типа	По производственной программе 1 У^х,к =гк /=1 По реальному годовому фонду времени г T^Jikxik -*ЗДКИ/ Л=1 На переменные Sj > 0, Xik > 0 -целые числа	s, /=1
2	Из станков с частичной взаимозаменяемостью	Sy - число станков i-ro типа дляу-й операции	По использованию станков М=1 где Г 1, если станок /-го =< типа на J-й операции [ 0, в противном случае По реальному годовому фонду времени г	Jk У'^У'hi 'da К	lJk lJk	KIJ л=1 л=1	Jj У к /.7=1Л-=1
3	С взаимозаменяемостью технологических маршрутов обработки	Sj - число станков /-го типа	По технологическому маршруту Мк = Л=1 где 1, если для деталей к-и _	группы используетсяу-й маршрут 0, в противном случае По производственной программе и реальному годовому фонду времени г Мк *=1	Л=1 На переменные > 0 - целые числа	Zc,S, /=1
18-42
553
Во всех трех типах моделей могут быть учтены дополнительные ограничения по дефицитности станков и по надежности станочной системы. Анализ моделей синтеза станочных систем показывает, что первая модель (см. 1, табл. 16.2) является частным случаем второй модели (см. 2, табл. 16.2) при jk = 1, а вторая является частным случаем третьей (см. 3, табл. 16.2) при Mfr = 1.
Приведенные модели относятся к прямой задаче объемного планирования СтС, т.е. к задаче определения оптимального качественного и количественного состава оборудования.
Под обратной задачей объемного планирования, решаемой на этапах проектирования СтС, понимается задача оптимального распределения обрабатываемых деталей по оборудованию СтС. Это - в основном задачи распределения ресурсов, которые в ряде случаев решаются комбинаторными методами, методом «ветвей и границ», методами динамического программирования и методами целочисленного линейного программирования.
Рассмотрим пример решения обратной задачи объемного планирования с помощью метода линейного программирования.
Задача линейного программирования имеет следующий вид: найти Xi> 0 (/ = 1, 2,... к), удовлетворяющие линейным ограничениям
к
ё,	при(* = b2>•••’т)
7=1
и обеспечивающие экстремум целевой функции
к
F(X) = EaijXiJ	eXtr'
/=1
В качестве примера формулировки и решения задачи линейного программирования рассмотрим выбор оптимального размера партий деталей Di и D2 из условия максимальной загрузки оборудования станочной системы. Пусть станочная система состоит из трех групп станков: сверлильных, токарных и фрезерных. Известны фонды времени работы оборудования в месяц, а также нормы времени на обработку деталей на станках каждой группы. Эти данные сведены в табл. 16.3.
Необходимо определить х7 и х2, т.е. число деталей Di и D2, которое обеспечивает максимальную загрузку оборудования станочной системы.
16.3. Иходные данные задачи максимальной загрузки оборудования СтС
Оборудование	Норма времени на обработку деталей, ч		Месячный фонд времени работы группы оборудования, ч
	Di	d2	
Сверлильное	0,1	0,3	200
Токарное	0,5	0,9	700
Фрезерное	0,3	0,2	330
Сформулируем задачу линейного программирования. Запишем уравнения ограничений по фонду времени оборудования:
0,lxi + О,3х2 < 200	(16.1)
0,5xi + 0,9х2 < 700	(16.2)
0,3xi + 0,2х2 <: 330	(16.3)
554
Целевая функция равна суммарному времени работы всех групп оборудования
f(x} х7) = 0,1xi +0,3x2 +0,5xi +0,9х2 + 0,3xi +0,2х2 =
v ’	(16.4)
= 0,9xj + 1,4х2 -> max
Требуется найти X/ и х2, удовлетворяющие заданным ограничениям и обеспечивающие максимум целевой функции F(x\, х2).
Двухпараметрическую задачу линейного программирования можно решить графически. На рис. 16.6 показано графическое решение задачи о максимальной загрузке системы станочного оборудования. Сначала по уравнениям ограничений строят область допустимых значений параметров
Х1Х2, которая получается в виде многоугольника. Его сторонами являются прямые, построенные по уравнениям ограничений. Так, отрезок АВ соответствует ограничению (16.1), отрезок ВС - (16.2), а отрезок CD -(16.3). Целевая функция, согласно уравнению, имеет также вид прямой. На рис. 16.6 построено уравнение целевой функции при Fi = 1800 ч, однако эта прямая не проходит через область допустимых значений Xi и х2 и, следовательно, не может являться решением задачи линейного программирования. Прямые, построенные по уравнению целевой функции, при разных ее значениях будут па

Рис. 16.6. Графическое решение задачи максимальной загрузки оборудования
раллельны друг другу, по-
этому прямая, соответствующая оптимальному значению целевой функции, будет параллельна прямой F\ и должна касаться области допустимых значений Xi и х2. Оптимальное решение
F* = 1201,47 ч; Х1=924шт.; х2 = 265 шт.
Все другие прямые, построенные по уравнению целевой функции и лежащие ниже линии F*, соответствуют меньшим значениям целевой функции. Так, линия, проходящая через начало координат, соответствует минимальному значению целевой функции F = 0. Данная задача относится к задаче целочисленного программирования при непрерывном изменении параметров, так как погрешность округления в этом случае незначительна.
В случае большей размерности задачи ее геометрическое решение невозможно, так как необходимо найти точку касания в ^-мерном простран-1я*	555
стве (к > 2). Область допустимых значений параметров, построенная по уравнениям ограничений, получается в виде многогранника, а целевая функция - в виде гиперплоскости.
Из геометрической интерпретации задачи линейного программирования следует, что для ее решения необходимо вычислить значения целевой функции в вершинах многогранника ограничений (предварительно определив координаты его вершин). Сравнивая значения целевой функции (перебором), можно найти величину, где достигается extr F. В этом случае возникают трудности при построении многогранника ограничений, т.е. при определении координат вершин, которые являются внешними к области определения параметров. Кроме того, число вершин многогранника резко возрастает с увеличением к и ти, и такой перебор значений целевой функции будет слишком трудоемким.
Аналитическое решение задач линейного программирования производится с помощью симплексного метода (метод последовательного улучшения плана). Этот метод обеспечивает большую эффективность, нежели метод перебора. Его суть заключается в том, что начиная с вычисления F в некоторой произвольной вершине многогранника ограничений, переходят к отысканию такой вершины, где значение целевой функции будет больше, чем в предыдущей вершине (если отыскивается вершина с максимальным значением F). Другие вершины, лежащие на общих гранях, для вычисления F не используют. Это позволяет производить упорядоченный перебор вершин многогранника ограничений по критерию увеличения F. Отсюда следует объяснение другого названия данного метода (метод последовательного улучшения плана).
Первый шаг решения задач линейного программирования симплексным методом состоит в том, чтобы от заданной системы ограничений в виде неравенств перейти к системе ограничений в виде уравнения. Это осуществляется путем введения дополнительных переменных. Если ограничения имеют вид (при 0, > 0)
к
Si ~	— Р/,
7=1
то вводятся дополнительные переменные (хк+\ > 0)
к
Хк+i ~ Р/ ~ ^ijX j
/=1 или к
YjbijXJ +Х*+1 =Р' /-1
С помощью дополнительных переменных переходим к системе уравнений с г неизвестными (к < г < к + т). Число дополнительных переменных равно г-к.
Обычно процесс решения задачи симплекс-методом иллюстрируется последовательностью симплекс-таблиц. Общий вид исходной задачи можно представить табл. 16.4.
Таким образом, задача линейного программирования сводится к следующей эквивалентной задаче (при a*+i = ак+2 = ... = аг= 0): найти максимум 556
F = CX, где С = (аь аъ ..., аг) при BX = D,B = [Z>,7], D = (рь р2, РД > 0. Задача определения min F может быть сведена к задаче нахождения max F/ при Fi = -F.
Если ограничения имеют вид
к
Si ~ ^^/уХ7 — Р/ » 7=1
то каждому такому неравенству соответствует уравнение с двумя дополнительными переменными
к
\ i ^+1 ”1" % к+2 
7=1
При Р, < 0 и неравенстве типа «больше или равно» уравнение с дополнительной переменной имеет вид к
~^biJxi+xk+} =-₽!•
7=1
16.4. Общий вид исходной задачи линейного программирования при решении ее симплексным методом
Основные переменные	Независимые переменные				Дополнительные переменные				Постоянные
	X]	Х2	...	Хк	Хк+1	Хк+2	•..	Хг	р<
	Ьц	&12	. • •	Ь\к	1	0	. •.	0	_₽>
	bii	/>22	...	bik	0	1	...	0	р2
...	...	• • •	...	...	...	...	. •.	•. •	
Хк+т	Ьт1	Ьт2	...	Ьтк	0	0	...	1	Р/И
J7	а\	ai	...	вк	0	0	...	0	0
Примечание. В последней строке в правой крайней клетке вносится значение функции на каждой итерации с обратным знаком (- F).
Если ограничение задано в виде равенства
к
Si=Hbuxj-=₽<’
7=1
необходимо ввести два уравнения с дополнительными переменными:
к
^b,jxj + xt+I = р,. 7=1
При ограничениях, определяющих значения независимых переменных в интервале, например, Р, < Xj < р,+ь вводится дополнительная переменная Хк+\ = Xj - Bh и ограничение принимает вид
Xjt+I<p/+1-Pi.
Алгоритм симплексного метода показан на рис. 16.7. Решение задачи получается в виде итерационной последовательности таблиц. Исходная симплекс-таблица имеет вид табл. 16.4 (блок 2 на рис. 16.7). На каждой последующей итерации (номер итерации и) определяется максимальное 557
Рис. 16.7. Алгоритм симплексного метода решения задачи линейного программирования
('
значение коэффициента а" в уравнении целевой функции F. Таким обра
зом, определяют переменную х” (независимую или дополнительную), которую будем вводить в список основных (базисных) переменных. Если все коэффициенты столбца, соответствующего переменной х„ нулевые или отрицательные, задача решения не имеет. В противном случае определяют строку q и базисную переменную, которую заменит переменная xv. Номер строки определяют в блоке 5 пр минимальному отношению постоянной Р" к соответствующему коэффициенту v-ro столбца.
После того, как q-я строка найдена, все ее элементы делят на коэффициент b"v, находящийся на пересечении q-й строки и v-ro столбца (блок 6). Далее вычисляют коэффициенты, с помощью которых все элементы v-ro столбца, кроме Р^1 (который равен 1), приводят к нулю (блок 7). Соответственно в блоках 11, 12 и 13 осуществляют преобразование строк сим-558
плексной таблицы путем прибавления к каждой строке q-и строки, умноженной на коэффициент (или коэффициент kj для преобразования строки целевой функции). Преобразование таблицы заканчивается введением переменной х" в список базисных переменных (блок 10). Если после преобразования симплексной таблицы все коэффициенты уравнения целевой функции становятся нулевыми или отрицательными (блок 9), процесс решения заканчивается. На печать выводятся значения основных переменных, равные соответствующим значениям постоянных Pzn+1 (блок 8). Процесс решения продолжается в том случае, когда условие а"+1 < 0 не вы
полняется, и производится следующее итерационное преобразование симплексной таблицы.
16.5. Пример решения задачи оптимальной загрузки оборудования СтС симплексным методом
Номер итерации	Основные переменные	Независимые ' переменные		Дополнительные переменные			Постоянные р/
		X/	Х2	хз	Х4	хз	
0	хз	0,1	0,3	1	0	0	200
	Х4	0,5	0,9	0	1	0	700
	Хз	0,3	0,2	0	0	1	330
	• F	0,9	1,4	0	0	0	0
1	Х2	0,333	1	3,333	0	0	666,6
	Х4	0,2	0	-3	1	0	100
	хз	0,2333	0	-0,666	0	1	196,667
	• F	0,4333	0	-4,666	0	0	-933,33
2	Х2	0	1	8,333	-1667	0	500
	XI	1	0	-15	5	0	500
	хз	0	0	2,83	-1,167	0	80,02
	- F	0	0	1,833	-2,167	0	-1150
3	Х2	0	1	0	2,5	0	264,6
	XI	1	0	0	-2,5	0	923,72
	хз	0	0	1	-0,5	1	28,248
	• F	0	0	0	-1,251	0	-1201,76
В качестве примера использования симплексного метода рассмотрим решение задачи оптимальной загрузки оборудования (16.1...16.4). Внесем данные задачи в табл. 16.5 (исходные данные приведены для нулевого номера итерации). Так как имеются три уравнения ограничений типа «меньше-равно», то и дополнительных переменных тоже три (х3, х4, Х5). Возьмем дополнительные переменные в качестве основных. Выбираем столбец коэффициентов при х2, так как коэффициент целевой функции в этом столбце 559
равен 1,4 и является наибольшим (0,9; 1,4; 0; 0; 0). При этом значение целевой функции равно нулю. Делим постоянные р, на соответствующие коэффициенты столбца для х2: 200/0,3; 700/0,9; 330/0,2. Наименьшее из этих значений соответствует первой строке. Значит, переменную х2 необходимо ввести в список базисных переменных вместо переменной хз, которая находится в первой строке таблицы. Делим все коэффициенты первой строки, включая Pi, на коэффициент к\ = 0,3. Для второй строки коэффициенты к, = к2 = 0,9, для третьей строки к3 = 0,2 и для четвертой строки к^ = 1,4. Умножая приведенную первую строку, в которой коэффициент р12 = 1, на коэффициенты к\, к, и складывая ее поочередно с другими строками, получаем в результате первой итерации базисный вид переменной Х] и значение целевой функции 933,33 ч. Первая итерация (1) соответствует выбору точки А (см. рис. 16.6), координаты которой х2 = 666,6 шт. и Xi = 0 берем в качестве опорного плана.
При второй итерации (2) выбираем первый столбец и вторую строку. Вместо базисной переменной х4 вводим переменную хь Эта итерация соответствует точке В с координатами xj = х2 = 500. Значение целевой функции в точке В равно 1150. На третьей итерации (3) выбираем третий столбец и третью строку. Переменную х5 выводим из списка основных переменных и вместо нее вводим х3. Один коэффициент целевой функции отрицателен, остальные равны нулю; значит, процесс решения закончен. Получена точка с оптимальными координатами х\ = 924 шт., х2 = 265 шт. Максимальное значение целевой функции F* = 1201,76 ч.
Рассмотренный алгоритм симплексного метода является универсальным для задач линейного программирования. Однако в большинстве случаев не удается свести модель проектирования, допускающую использование стандартного метода синтеза станочных систем, и приходится прибегать к их имитационному моделированию и простому перебору вариантов.
Одним из перспективных направлений проектирования станочных систем является одновременное проектирование системы в целом из конструкций станков, построенных по агрегатно-модульному принципу. При такой постановке задача сводится к дискретной оптимизации СтС описываемых моделями комплектации.
Более общей будет задача конструирования систем из станков, имеющих оригинальные узлы (вариантное конструирование). В этом случае для формирования множества вариантов используют методологию двухуровневой оптимизации для синтеза станочных систем.
С помощью методологии двухуровневой оптимизации производится синтез как параметрических, так и структурных переменных станочной системы.
Основными составляющими методологии двухуровневой оптимизации являются следующие: двухкритериальная концепция оптимального конструирования станков и станочных систем; функционал качества вариантов станочной конструкции (комплексный критерий оптимизации); структурно-параметрические модели станочных систем и узлов; метод баланса градиентов (БГ-метод); методика двухуровневой оптимизации. Ядром методологии двухуровневой оптимизации является БГ-метод, позволяющий реализовать процедуру структурно-параметрического синтеза. Оптимизация производится по функционалу качества Ф = g(F), который является зависимостью качества g станочной системы (производитель-560
ность, быстродействие) от ее эффективности F (стоимость или приведенные затраты). В результате оптимизации достигается заданное качество go станочной системы при минимизации затрат min F.
Алгоритм синтеза станочной системы на основе двухуровневой оптимизации приведен на рис. 16.8. На первом этапе (блок 1) выбирают структурные и параметрические переменные модели оптимизации подсистем станочной системы, определяющие совокупность их вариантов. На рис. 16.8 после блока 1 показаны три вариационных признака подсистемы инструментального обеспечения: многошпиндельная коробка, револьверная головка и инструментальный магазин. Каждый из этих элементов характеризуется изменением качества Agz и эффективности АТ7, подсистемы инструментального обеспечения относительно первоначального варианта.
Оптимизация оборудования 6 составе станочной системы (итерационная процедура на основе Б Г-метода)
Наборы оборудования с различным уровнем качества
ч
-* /л* л* л* \
9 в(91>92‘ -9к)
В
I
91
91
О
ES
Оптимальные требования к качеству оборудования
о
Й1
Выбор Вариантов конструкции узлов оборудования
Станочная система с оборудованием оптимальной конструкции

Структурно-параметрическая оптимизация оборудования при различных уровнях еео качества (БГ- методом)
9о
Начало
Конец
is
Рис. 16.8. Алгоритм двухуровневой оптимизации станочной системы
561
Далее (блок 2) производят оптимизацию подсистем БГ-методом, в результате которой формируют наборы подсистем различными уровнями качества g (быстродействие). Если набор вариантов подсистемы заранее известен (например, это унифицированный ряд конструкций), то блок 2 пропускают. Совокупность вариантов каждой z-й подсистемы описывают набором точек на плоскости. Должны быть указаны предельные характеристики конструкции вариантов подсистем по качеству gni и по эффективности Fni.
В блоке 3 производят аппроксимацию функционалов качества подсистем с помощью уравнений регрессии на основе метода наименьших квадратов. Блок 4 предназначен для оптимизации БГ-методом требований к подсистемам по качеству при заданных качестве станочной системы go и минимизации F. После анализа результатов оптимизации (блок 5) по оптимальному уровню качества g* с помощью БГ-метода определяют конструкцию и параметры каждой подсистемы, соответствующие этому уровню качества (блок 2).
Таким образом, блоки 1...4 обеспечивают формирование оптимальных требований к оборудованию (подсистемам) станочной системы, а блоки 4...6 алгоритма двухуровневой оптимизации формируют конструкцию и параметры оборудования, обеспечивающего заданное качество станочной системы при обеспечении минимальных затрат.
Рассмотрим особенности методологии двухуровневой оптимизации на примере станочной системы, состоящей из S одинаковых станочных модулей (многоцелевых станков) и соответствующей модели синтеза первого типа (см. табл. 16.2). Если варианты станочного модуля (СМ), который является элементом станочной системы, можно описать линейной регрессивной моделью, то задача оптимизации имеет аналитическое решение. Модель оптимизации станочной системы в этом случае имеет вид:
F - KSj(t - /п ) ~> min,
Qq=QS,
(16.5)
где Q - сменная производительность станочного модуля, Q = 480 Kn/t; Qo - заданная сменная производительность станочной системы; К - постоянный коэффициент регрессионной модели; Qn = 480 Knltn\ предельная сменная производительность CM; Fn - предельная стоимость (приведенные затраты) вариантов станочного модуля.
В результате решения задачи (16.5) БГ-методом получаем оптимальные соотношения, связывающие производительность станочного модуля Q с показателем технико-экономического уровня К набора вариантов станков или станочных модулей (рис. 16.9):
о*=1Д1+-Д)	(16.6)
где Q* =Q*/Qn; Q‘- оптимальная производительность станочного модуля; K = KQn/Fn.
Оптимальное число станочных модулей
S*=Q0(l + ylky	(16.7)
где Оо = Q0/Qn .
562
На рис. 16.10 показаны кривые, с помощью которых по заданной производительности СтС и предельным характеристикам станочных модулей выбирают их число S'*. Таким образом, в результате решения задачи оптимизации получаем число станков или станочных модулей и конкретное их исполнение. Пример решения задачи оптимизации СтС приведен на рис. 16.11 при следующих параметрах: К = 30 тыс. руб. х мин, Qo = 480 шт./смену, /п = 2 мин, Fn = 5 тыс. руб. В результате оптимизации получаем S* = 5,46. Таким образом, оптимальное число станков или станочных модулей S* = 5 или S'* = 6.
В общем случае станочная система включает в себя несколько подсистем. Их можно разделить на две группы, основные и распределенные (рис. 16.12). К основным подсистемам относятся станки или станочные модули, система инструментального обеспечения, транспортная система, склады или накопители заготовок и деталей. Основные подсистемы имеют самостоятельное
Рис. 16.9. Зависимость оптимальной производительности станочного модуля от показателя его технико-экономического уровня
Рис. 16.10. Определение оптимального числа станочных модулей или многоцелевых станков в зависимости от заданной производительности станочной системы
значение и могут описываться собственными математическими моделями. Распределенные подсистемы (система управления, система ремонта и обслуживания) отдельными частями входят в основные подсистемы, и таким образом характеристики каждой основной подсистемы складываются из собственных характеристик и характеристик распределенных подсистем. Например, основным параметром системы управления является число координат управления, в свою очередь, наличие одной или нескольких координат для управления
Рис. 16.11. Пример оптимизации станочной системы
конкретной подсистемой сущест
венно влияет на возможности и характеристики этой подсистемы.
563
Станочная система
Рис. 16.12. Составляющие математической модели синтеза станочной системы
Математическая модель синтеза станочной системы содержит в качестве переменных параметры подсистем (число станков или станочных модулей, число наладчиков и операторов, число накопителей и их вместимость и т.д.) и вариационные признаки конструкции подсистем (например, средства автоматизации), определяющие множество вариантов их структурного исполнения (структурные переменные). Например, таким вариационным признаком для автоматической линии является число рабочих позиций обработки (см. гл. 5). Некоторая часть станочной системы принимается неизменной и определяет постоянные составляющие в характеристиках подсистем и станочной системы в целом (постоянные параметры в модели синтеза). Для каждой основной подсистемы необходимо построить функционал качества (зависимость быстродействия подсистемы от приведенных затрат). Модель оптимизации с учетом подсистем будет иметь вид (16.5), в которой приведенные затраты F будут равны сумме приведенных затрат подсистем, а производительность будет определяться с учетом временных затрат (быстродействия) подсистем.
На рис. 16.13 приведен алгоритм оптимизации станочной системы, включающей N подсистем. В качестве исходных данных (блок 1) указывается число L вариантов подсистем, максимальный М порядок уравнения регрессии, уровень значимости U (для критерия Фишера), массивы значений приведенных затрат F, и быстродействия 7) для вариантов конструкции подсистем, предельные характеристики Fni, Tni подсистем, начальные характеристики FHi, THi подсистем, заданная производительность Q станочной системы и приведенные затраты Fq для неизмеряемой части станочной системы.
В блоке 2 проверяют исходные данные, затем аппроксимируют функционалы качества подсистем с помощью метода наименьших квадратов (блок 3). В блоке 4 (подпрограмма SN) выполняют непрерывную оптимизацию станочной системы с помощью двухуровневой оптимизации. В бло-564
Начало
Конец
Рис. 16.13. Алгоритм синтеза станочной системы при разбиении ее на отдельные подсистемы
ке 5 определяют число S станков или станочных модулей по заданной производительности станочной системы и оптимальному быстродействию /* станочных подсистем. Затем в подпрограмме SC (блок 6) уточняют S с учетом того, что оно должна быть целым, получая S* - оптимальное число станков или станочных модулей. Полученные значения определяют соответствующий вариант исполнения станочных подсистем с соответствующим уровнем автоматизации.
Для автоматической линии (АЛ) модель синтеза с учетом использования двухуровневой оптимизации включает следующие критерии эффективности и качества.
Критерий эффективности (стоимость автоматической линии)
F = [c(9)+CT<7 + «C„]p,	(16.8)
где С(^) - стоимость позиций автоматической линии; CTq - стоимость транспортной системы; п - число участков; q - число последовательных позиций автоматической линии; Сн - стоимость накопителя; р - число параллельных потоков.
Критерий качества (заданная сменная производительность)
п
(16.9)
где т|3 - коэффициент загрузки автоматической линии; #п, /п - предельные характеристики автоматической линии по числу позиций обработки и длительности /р рабочих ходов; К, - коэффициент регрессии, описывающий зависимость t^(q)\ tx - длительность холостых ходов; /и - внецикловые по-
565
тери по инструменту; qto — внецикловые потери по оборудованию; W(n) -коэффициент возрастания потерь из-за ограниченной вместимости накопителей (описывается регрессионной зависимостью от числа участков автоматической линии).
Полученная аналитическая модель позволяет построить алгоритм двухуровневой оптимизации структурных параметров АЛ, аналогичный алгоритму, приведенному на рис. 16.13. Кроме того, исходная модель (16.8), (16.9) в некоторых случаях требует уточнения. Для упрощенной модели можно получить зависимости, позволяющие аналитически решать задачу оптимизации структуры АЛ.
В качестве критерия эффективности можно использовать приведенные затраты на приобретение оборудования АЛ и его эксплуатацию
F — [Е(С0 + С]<7 + С2и) +з]/?,
(16.10)
где Е = Ен + (Xi + а2.
Здесь Ен - нормированный коэффициент эффективности капитальных вложений; си - коэффициент амортизационных отчислений; а2 - коэффициент затрат на текущий ремонт; Со +	= C(q) - стоимость оборудования
и транспортной системы, включая стоимость производственных помещений; 3 - годовой фонд зарплаты обслуживающего персонала.
Аппроксимацию tv(q) можно в большинстве случаев производить с помощью линейной регрессионной модели. Тогда без учета коэффициента W(n) получаем заданную производительность АЛ.
,	480/?Г|3
° -А_+/ +/
(16.11)
Для модели (16.10) и (16.11) получаем с помощью БГ - метода оптимальные соотношения параметров структуры АЛ:
п =
9
(16.12)
_Q0[£(C0 + С1д + С2и)+з][к|и-/0(д-<7п)]2 4Wv\3ECxn(q - qn)2
q = b + Jb2 -4t„kxn;
(16.13)
(16.14)
где b = 480/?T|3«/Qo-(fn-tx)n-t„-t9q„.
Если задан один из параметров (например, р), оптимизировать структуру автоматической линии можно с помощью метода простой итерации. Для автоматической линии с жесткой связью оптимальные параметры pnq могут быть найдены из уравнений (16.13) и (16.15) при п - 1.
Разработана программа трехпараметрической оптимизации АЛ, алгоритм которой приведен на рис. 16.14. Вводят исходные данные, в том числе табличную зависимость tp(q) в виде соответствующих значений /р/ и qx. 566
Начало
tn» Ч п»	» t ц > Е,
Чо’ Л0 ’ р0
Программа аппроксимации
	'Программа оптимизации Б Г-методом Р* ”	
Рис. 16.14. Алгоритм трехпараметрической оптимизации автоматической линии
Затем (блок 2) вводят начальные параметры q^ nQ и р0. Далее в блоке 3 производят аппроксимацию зависимости t(q) с помощью метода наименьших квадратов. Оптимизация параметров q, п, р (при их непрерывном изменении) БГ-методом сводится к решению системы уравнений (16.12)...(16.15) методом Ньютона.
С помощью блоков 5-8 производят дискретизацию полученного решения (intx- взятие целой части от параметра х). Результаты оптимизации выводятся в виде таблицы, в которой печатают параметры одиннадцати вариантов автоматической линии. Производительность АЛ с учетом использования станков-дублеров
480/?г|3
(16.15)
где т - общее число станков-дублеров; К2, Кз - коэффициенты регрессионной модели.
567
Приведенные затраты на приобретенное оборудование и его эксплуатацию с учетом станков-дублеров
F = [£(С0 + С, q + С2 п + С3 т)+3] р.
(16.16)
Дальнейшее уточнение модели (16.15), (16.16) может идти, например, по пути варьирования типа транспортной системы v, для чего необходимо ввести регрессионные зависимости tK(v) и Ci(v)-
16.3.	Информационное обеспечение САПР
В настоящее время создание информационного обеспечения САПР связано с решением трех главных проблем (рис. 16.15): выявление необходимой информации о прикладной области (ПрО); представление выявленной информации на ЭВМ; управление информацией на ЭВМ.
ВЫЯВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ О ПрО
Построение информационно- функциональной структуры процесса проектирования (ИФС)
Проектирование онтологической модели процесса проектирования (ИЛМ)
I
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
Проектирование Ваз данных и знаний САПР
УПРАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИЕЙ
Проектирование систем ведения баз данных и знаний САПР на ЭВМ
Концептуальный уровень
Логический уровень
Физический уровень
Рис. 16.15. Этапы разработки информационного обеспечения САПР
Решение первой проблемы связано с построением информационной модели объекта проектирования и нормативно-справочной среды (НСС), поддерживающей на ЭВМ процесс проектирования. Исходными данными для разработки модели НСС являются справочники конструктора и технолога, нормативные материалы, ГОСТы и т.д. В табл. 16.6 приведены традиционно сложившиеся виды и источники информации, существенные для представления машиностроительной НСС на ЭВМ. Из этих данных понятно, что НСС по своему содержанию предметно и объективно ориентирована.
В ходе решения первой проблемы определяют и фиксируют в машиночитаемой и обрабатываемой форме состав информации (понятий, параметров, документов, показателей, информационных массивов и др.), необ-568
ходимои для решения комплексных задач проектирования, структуру информации, преобразование информационных единиц «входа» в «выход», количественные характеристики информации (объем, продолжительность хранения, обновления и т.д.); разрабатывают системы классификации и кодирования информации, системы документации; определяют оценки достоверности, полноты, своевременности информации.
16.6. Виды и источники представления на ЭВМ информации о прикладной области в машиностроении
Вид представления информации	Источник	Тип
Чертежи деталей, узлов, агрегатов	Фонд предприятия, отрасли, страны	гд
Справочно-нормативные данные и их классификаторы		КТБ
Классификаторы деталей (типовых и комплексных)		кгт
Документация типовых и групповых технологических процессов из фонда предприятия		тд
Типовые решения, используемые в проектировании		гтд
Формы выходной документации		тд
Нормативно-техническая документация		КТДБ
Технические характеристики оборудования, приспособлений, инструментов		КТДБ
Руководящие материалы		ГТДБ
Опрос пользователей (экспертов и ПрО)	Личный фонд	ГТДБ
Монографии, статьи, патенты, изобретения		ГТДБ
Примечание: Кодировка типов: Г - графическое представление; Д - текстовое представление; К - кодировочные таблицы; Т - табличное представление; Б - блок принятия решения.
Одно из важнейших требований, предъявляемых к средствам для выявления информации ПрО, состоит в способности выражать нужные идеи и представления о ПрО на достаточном для реализации на ЭВМ уровне формализации, сохраняя при этом естественность, простоту и надежность.
Проблема представления информации включает проектирование баз данных в определенной вычислительной среде, проектирование документов автоматизированной системы, разработку технологии формирования и хранения массивов информации. Успехи в решении данной проблемы во многом связаны с переходом к реляционной модели данных. Ниже приведено обоснование причин выбора реляционной модели данных (РМД) при проектировании станочных систем.
1.	Удобное и привычное для пользователя зрительное восприятие информации о ПрО в виде двумерной табличной структуры, состоящей из неограниченного числа столбцов и строк. Это упрощает разработку и не требует специального персонала.
2.	Таблицы используют в качестве единственной базовой информационной структуры. В сетевом и иерархическом подходе это свойство отсутствует.
3.	Формальный аппарат проектирования РМД выполнен с учетом накопленного опыта работы пользователей в традиционных естественноязыковых системах общения.
4.	При работе с таблицами сохраняется максимальная свобода связей одной таблицы с другой без предварительного определения комбинаций.
569
Это позволяет строить простые и мощные языки запросов, ориентированные на пользователей-профессионалов. Теоретическую базу для такого построения представляет реляционная алгебра.
5.	Возможность значительного уменьшения избыточности данных и увеличения степени универсальности концептуального набора отношений за счет наличия метода нормализации реляционной модели.
6.	Доступ к таблицам может быть достаточно просто реализован с помощью как диалогового, так и программного интерфейса.
Важным требованием к средствам представления понятийной модели можно отнести необходимость обеспечения полноты охвата, систематизации и точного описания многообразия данных, знаний и умений, существующих в ПрО. Выполнение многочисленных требований делает данные средства основой для достижения взаимопонимания среди экспертов ПрО. Таким образом, средства представления данных и знаний о ПрО при использовании в условиях ЭВМ призваны удовлетворить потребности в выразительности, систематизации на общей основе для взаимопонимания между экспертами и разработчиками ПО.
Проблема управления информацией включает разработку технологии ведения баз данных и типовых процедур работы с данными (создание входных массивов, загрузка, ввод-вывод, сортировка, корректировка, контроль и др.), выбор или разработку средств автоматизации технологического процесса проектирования в вычислительной среде. Проблема управления информацией на ЭВМ решается за счет применения метаданных, которые содержат сведения двух типов: что представляют (означают) собой данные и используемые в прикладной области функциональные зависимости; где можно найти эти данные на ЭВМ, в какие зависимости они входят, какие операции допустимы над ними и как получить к ним доступ.
Первый тип сведений размещается в двух местах. Место, где хранятся сведения об используемых данных, будем называть словарем терминов или понятий ПрО. Место, где хранятся сведения о функциональных зависимостях, используемых в ПрО, будем называть справочником или каталогом отношений. Место для хранения сведений второго типа будем называть схемой или списком отношений. В общем случае со словарем и каталогом больше взаимодействуют пользователи, а со схемой - программные компоненты.
Данный подход к описанию ПрО обеспечивает формирование открытой системы семантических компонент (словарь понятий и каталог зависимостей), модифицируемой при смене объектов проектирования, изменении элементной и технологической базы проектирования, наращивании и модификации набора проектирующих модулей.
Пользователь базу данных (БД) может рассматривать с двух точек зрения: логической и физической. Логическое представление БД содержит внешнее описание ее структуры для пользователей, а физическое представление БД раскрывает реализацию всего этого на ЭВМ.
Модель логического представления БД во многом аналогична устройству библиотеки или множеству таблиц. Основные компоненты логического представления БД и взаимосвязи между ними приведены на рис. 16.16. Здесь файлы представляют собой хранилище данных по определенной тематике. Указание на файл задается с помощью имени. Каждый файл состоит из множества записей одинаковой структуры. Структура записи фик-570
Запись—> ।----1
i----1 !---> r1----1 I
H—i I —> r1--------1 । J
i	il	I	। M
• P . . . DIZ!.izP
I___i	I_____l
Поле
Файл! . . . Файл*
Файл Y
Бш данных
Рис. 16.16. Компоненты логического представления базы данных
сируется через последовательность используемых полей. Для каждого поля устанавливается тип хранимых в нем значений данных.
Обычно в качестве базовых выступают следующие типы данных: символьный, числовой, логический, дата. Содержательно базовые типы данных определяются следующим образом:
строки символов (кодируется символом C-CHARACTER); этот тип данных содержит алфавитно-цифровые данные, не используемые в математических выражениях (марка материала, тип станка и т.п.);
число (N-NUMERIC); иногда различают целые (I-INTEGER) и действительные числа (F-FLOAT);
дата (D-DATE) (часы, минуты, день, месяц и год);
логические переменные (L-LOGICAL) позволяют устанавливать признак «истина и ложь» (T-TRUE и F-FALSE или в форме 1 и 0).
Типичный набор операций для работы с БД включает операции, приведенные ниже.
1.	Формирование структуры записи на основании потребностей задачи. В коде этой операции для каждого поля фиксируется название, принятое в ПрО, программное имя, тип данных. Структура записи формируется пользователем для каждого файла в отдельности. Порядок определения полей фиксирует структуру всех записей в файле. В результате применения этой операции создается «пустой» файл с указанной структурой.
2.	Ввод данных. Операция позволяет добавлять значения новых данных в ранее созданный файл.
3.	Редактирование записей или полей отдельной записи. Операция позволяет модифицировать содержимое всей записи и/или отдельных полей.
4.	Сортировка. Операция позволяет отсортировать записи одного файла в любом порядке. Основные варианты сортировки данных в зависимости от их типа в поле следующие:
а)	лексикографическое упорядочение записей по возрастанию и по убыванию кода символов - тип данных в поле С;
б)	упорядочение записей по возрастанию и по убыванию числовых параметров - тип данных в поле N;
в)	упорядочение записей по возрастанию и по убыванию даты создания.
Содержимое файла можно отсортировать по нескольким полям одновременно. При этом важную роль играет порядок перечисления полей для 571
сортировки. Вначале все записи сортируют по первому полю, при равенстве содержимого первого поля записи сортируют по второму полю и т.д.
5.	Поиск. Данная операция позволяет отыскать одну или все записи в файле, отвечающие заданным условиям поиска. Пользователь может использовать следующие типы поиска:
а) поиск первой встретившейся записи в файле, отвечающей условиям отбора; например, отобрать запись для конкретной марки материала (А 16-АЛ4) (рис. 16.17);
Номер по порядку
[ Марка материала
<1>’	।	[	Нижнее и Верхнее
।	।	значение твердости
I	I	1-----1----------
V	V	V	V
А/6 Д32 Ю
<3>:	Lfj	F4.0	Ft.0
У 1 ВДОВО-гЙ 7371 259. II
<4>: < | 2	| 0440	II	207.1	285.	1>
I 3	В Ш	||	50.	1	70.	В
В 4	у МНЮ	g	70.	В	90.	В
IL-.Л	я	Д	II
<5>:
Рис. 16.17. Фрагмент представления таблицы "Марка материала"
</>: - вербальное описание понятий ПрО; <2>: - схема отношения, состоящая из множества кодов понятий в системе (идентификаторы объектов); <3>: - шаблоны представления данных по каждому атрибуту; <4>: - строка, запись, сегмент, кортеж; <5>: - набор величин одного элемента данных (домен)
б)	контекстный поиск; используется для выделения группы записей, содержащих указанный контекст как часть заданного поля; например, поиск по условию А16-АЛ* обнаружит все записи, имеющие сочетание АЛ в строке из поля А16 (т.е. будут найдены все записи, содержащие информацию о марках алюминия);
в)	поиск с использованием математических выражений в записи условий отбора (РАВНО, НЕРАВНО, БОЛЬШЕ, БОЛЬШЕ РАВНО, МЕНЬШЕ, МЕНЬШЕ РАВНО - =, >, =>, <, <=); например, условие отбора А33< 200 может быть использовано для поиска записей, содержащих в поле «Верхнее значение прочности материала» числа < 200;
г)	комбинированный поиск; позволяет объединять запросы к отдельным полям с помощью логических операций И и ИЛИ; например, условие запроса (А16-АЛ* И (А33< 200) может быть использовано для нахождения всех записей с указанием марки алюминия и верхнего значения прочности материала, не превосходящего 200.
Результаты операции поиска могут быть просмотрены пользователем на экране дисплея и при необходимости сохранены в файле на магнитном носителе.
При использовании операций поиска пользователю следует помнить о
572
том, что результаты операции зависят от текущего местоположения в файле. При первом обращении к файлу начальное местоположение совпадает с первой записью, после операций поиска текущее местоположение обычно изменяется. И при последующем обращении к данной операции поиск выполняется от текущего местоположения. Если условия поиска не могут быть удовлетворены, то местоположение в файле не изменяется.
Параметрами при выборе конкретной СУБД могут выступать цели ее использования; режим обработки запросов (диалоговый, пакетный или смешанный); тип СУБД (реляционный, сетевой, иерархический); время доступа к записи; максимальная длина записи в байтах; максимальное число записей в файле и др.
16.4. Пакеты программ и программно-методические комплексы
Значительная часть программно-методического обеспечения проектирования станочных систем разработана для проектирования автоматических линий. Так, на рис. 16.18 представлено методическое обеспечение сквозного автоматизированного проектирования автоматических линий (АЛ) и систем автоматических линий (САЛ) на примере проектирования САЛ для механической обработки корпусных деталей. В результате функционального анализа САЛ процесс их разработки разбивается на пять основных этапов. Для каждого этапа представлен набор процедур формализации входных данных и операций поиска оптимальных технических решений.
На этапе 1 проверяют и корректируют исходные данные, кодируют информацию и вводят исходные данные. Этап 2 содержит проектирование элементарной технологии, базирование и анализ точности обработки, расчет режимов резания, контроль и корректировку исходных данных. При разработке структуры технологического процесса (ТП) обработки детали на САЛ (этап 3) определяют последовательность переходов, формируют процесс одноинст-рументной обработки, проектируют инструментальные блоки, разрабатывают процесс обработки инструментальными блоками. При компоновке САЛ (этап 4) проектируют станки на позициях обработки, определяют структуру САЛ и ее планировку. После каждого этапа, в том числе и после оценки технико-экономических показателей САЛ, корректируют результаты проектирования.
Разработанные пакеты программ и программно-методические комплексы позволяют автоматизировать отдельные этапы проектирования станочных систем, включая и автоматические линии. Напри
Рис. 16 18. Укрупненный алгоритм проектирования САЛ
573
мер, пакет программ для решения задачи планировки АЛ и САЛ обеспечивает выбор оборудования на основе автоматизированных банков данных, выбор варианта станочной системы на основе имитационного моделирования и выбор вариантов структурно-компоновочных решений станочных систем с учетом технологии обработки деталей на базе методов оптимизации.
Диалоговая процедура «Разработка плана расположения оборудования системы автоматических линий» предназначена для рационального размещения основного и вспомогательного оборудования САЛ на площади цеха завода-заказчика и для оформления чертежа плана САЛ на графопостроителе. Входная информация задается на бланке задания и с помощью чертежа плана цеха, на котором обозначена площадь, отводимая под САЛ. В бланке задания указаны обозначения (по каталогу) планировочных видов технологического оборудования, входящего в САЛ. При отсутствии информации об оборудовании в каталоге необходимо выполнить эскиз его с размерами в плане.
Сначала уточняют и при необходимости дорабатывают исходные данные. Затем рассчитывают необходимое количество вспомогательного оборудования и расставляют оборудование вдоль конвейеров для перемещения деталей. При этом учитывают зоны обслуживания оборудования и шаг перемещения деталей конвейером. Программное обеспечение позволяет наблюдать на экране графического дисплея все варианты расположения оборудования каждого участка автоматической линии (на экране указывается оптимальный шаг конвейера и оптимальный вариант расположения оборудования). Пользователь должен проанализировать предложенный вариант и при необходимости внести исправления.
После получения плана автоматических линий осуществляют также в режиме диалога его корректировку с учетом особенности площади, отведенной под САЛ. Расставляют вспомогательное оборудование, затем на экране дисплея формируют чертеж плана САЛ с указанием размеров, технических требований и получают копию этого чертежа на графопостроителе (рис. 16.19).
26170
Рис. 16 19. Фрагмент плана расположения оборудования САЛ
574
Автоматизированный банк данных по автоматическим линиям, агрегатным станкам и специальным станкам предназначен для поиска аналогов при проектировании автоматических линий агрегатных и специальных станков. Кроме характеристики оборудования, автоматизированный банк данных (АБД) содержит сведения об обрабатываемых деталях. АБД обеспечивает ввод, хранение, удаление, корректировку, обработку информации и вывод ее на экран дисплея или на печатающее устройство.
В настоящее время в АБД содержится информация о 6000 специаль-• ных станках, 9500 агрегатных станков и 1500 автоматических линиях. Параметры автоматических линий и станков распределены по пяти группам: индексирующие данные (наименование, код, модель), данные об изготовителе и заказчике, сведения об обрабатываемых деталях, технические характеристики оборудования, экономические характеристики оборудования.
В табл. 16.7 приведена часть информации о двух автоматических линиях, найденная в соответствующем массиве по запросу на поиск аналогов автоматических линий, предназначенных для обработки отверстий в кованых коленчатых валах массой 100...300 кг из легированных сталей при минимальной производительности 10 шт./ч.
16.7. Сведения об автоматических линиях из автоматизированного банка данных (фрагмент)
Данные	АЛ-1	АЛ-2
Модель АЛ	КЛ-Л50	КЛ-Л92
Код оборудования	38741200001	38741600015
Наименование оборудования	Линия автоматическая	Линия автоматическая для обработки коленвала
Проектант	Костромское СКВ АЛ и АС	Костромское СКВ АЛ и АС
Завод-изготовитель	Костромской завод автоматических линий	Костромской завод автоматических линий
Завод-заказчик	Тутаевский завод дизельных двигателей	Харьковский завод «Серп и молот»
Номер детали по чертежу	842.1005020	СМД 31/32 31-0401-4
Наименование детали	Вал коленчатый 751633	Вал коленчатый 751634
Материал детали	Сталь легированная	Сталь легированная
Максимальная твердость детали	286 НВ	262 НВ
Вид заготовки	Поковка, штамповка	Поковка, штамповка
Предварительная механическая обработка заготовки	Обработка баз	Обработка баз
Квалитет точности детали	14	8
Максимальная масса детали, кг	123,5	115,0
Длина детали, мм	1030	1181
Ширина детали, мм	150	240
Высота детали, мм	—	240
Выполняемые операции: № 1,2 №3 №4 №5 №6	С; Р; 3 С; Р;3 НРМ	С; Р; 3 Ф (ч и п/ч) С; Р; 3 С; Р; 3 НРМ
Вид транспортной системы	Шаговый транспортер-переналадчик Н< 50 мм	Шаговый транспортер-переналадчик Н> 50 мм
575
Данные	АЛ-1	АЛ-2
Число единиц оборудования: станков прочего	10 10	7 21
Установленная мощность, кВт	117	78
Занимаемая площадь, м2	175	220
Масса АЛ, т	120	59,8
Наличие системы охлаждения	Есть	Есть
Система загрузки-выгрузки	Ручная	Механизированная
Численность обслуживающего персонала в смену: наладчиков операторов	1 1	1
Коэффициент технического использования	0,86	0,78
Производительность при К = 1 шт./ч	31	45
Стоимость оборудования в момент проектирования, тыс. руб.	360	600
Трудоемкость проектирования, нормо-ч	7833	14564
Примечание. Условные обозначения: С - сверление; Р - растачивание; 3 - зенке-рование; Ф- фрезерование; ч - чистовое; п/ч - получистовое; НРМ - нарезание резьбы метчиком; И- высота подъема транспортера.
АНД непрерывно пополняется информацией о вновь спроектированном оборудовании, которую обрабатывают и используют для обслуживания пользователей. Указанную информацию поставляют по запросу заказчика.
Подсистема «Выбор промышленного робота» включает базу данных (БД) моделей промышленных роботов (ПР), выпускаемых у нас в стране и за рубежом. Подсистема обеспечивает выбор в диалоговом режиме требуемой модели промышленного робота. Поскольку подсистема разработана для автоматизированного проектирования сборочных РТК, то БД содержит информацию о возможности перемещения деталей массой до 10 кг со скоростями и видами движений рабочих органов ПР, удовлетворяющих сборочное производство. Однако подсистема «Выбор промышленного робота» позволяет наращивать БД как по грузоподъемности ПР, так и по видам производства. В БД каждый ПР описан 70-ю характеристиками. На рис. 16.20 приведена схема алгоритма функционирования диалоговой подсистемы «Выбор промышленного робота».
Программа моделирования гибкой сборочной линии (ГСЛ) позволяет выбирать ее структурно-компоновочную схему с учетом использования несинхронного конвейера. Имитационная модель построена для пяти технологических процессов сборки приборов. Для моделирования конкретной ГСЛ в модель вводят следующие данные: число сборочных центров (СЦ), число операций, выполняемых на каждом СЦ, число приспособлений спутников (ПС); число ячеек конвейера; дискретность моделирования; отрезок времени моделирования работы ГСЛ; число типоразмеров собираемых приборов; среднее время загрузки ПС на СЦ; среднее время наладки СЦ; код стратегии управления СЦ; признак наличия местных накопителей (МН).
В процессе моделирования могут быть собраны статистические данные, характеризующие работу ГСЛ: общее число собранных приборов каж-576
Определение интервалов грузоподъемности ПР и сос-
тавление ключей записей
Запоминание ключей
записей
Передача ключей записей искомых ПР для получения информации
н Данные о массе груза I и верхнего предела ^^грузоподъемности ПР
^Дополнительные \тпредования к ПР
^Интересующие проекти-
ровщика характеристики ПР
Модели ПР
Выдача информации
Рис. 16.20. Алгоритм функционирования диалоговой подсистемы «Выбор промышленного робота»
дого типа; максимальная, минимальная и средняя загрузка каждого СЦ и каждой ячейки конвейера. В табл. 16.8 приведены результаты имитационного моделирования процесса сборки пяти приборов на ГСЛ с двадцатью ПС, причем один прибор собирается за один поворот конвейера.
Для прибора каждого типа находили оптимальное распределение операций между четырьмя СЦ по равномерности их загрузки, а также предельно возможную производительность ГСЛ при таком распределении.
Схема программно-методического обеспечения задачи синтеза производственно-технической структуры ГПС в диалоговом режиме приведена на рис. 16.21.
На первом этапе инженер-технолог разрабатывает варианты технологических маршрутов; на втором этапе - анализирует маршруты для деталей всех групп и выявляет полное множество конфигураций основного оборудования проектируемой ГПС с помощью метода ветвей и границ
577
На третьем этапе формируют группу конкурирующих вариантов ГПС с близкими значениями целевой функции (функции затрат). Для выбора наиболее предпочтительного варианта используют комплексную экспертизу (четвертый этап).
Рассмотрим комплекс программ (КЦ) в диалоговом режиме для автоматизации проектирования производственных и компоновочных структур ГПС с устойчивой номенклатурой и программой выпуска деталей (см. табл. 16.1) в условиях серийного производства и комплексной поставки деталей на
Рис. 16.21. Структурная схема программнометодического обеспечения задач синтеза производственно-технологической структуры
ГПС; блоки:
1- лицо, принимающее решение; 2 - блок 4 -монитор управления задачами и базой данных; 5 - блок генерации допустимых вариантов основного оборудования; 6 - блок оптимизации; 7- блок комплексной экспертизы и принятия решений
сборку. Комплекс программ состоит из шести программных модулей: подготовка исходных данных (модуль 7), расчет партий запуска деталей и графиков выпуска деталей и изделий (модуль 2), расчет загрузки станков с одно- и многономенклатурной обработкой (модуль 4), расчет компоновки ГПС (модуль 5), формирование графической информации (модуль 6).
16.8. Результаты имитационного моделирования сборки приборов на ГСЛ
Тип прибора	Наличие МН	Производительность, шт./ч	Загрузка СЦ, %	Загрузка ячеек конвейера, %	Номер СЦ	Распределение операций1 между СЦ
I	Нет	68,5	90,2-99,9	1,9-100	1	1,20,4,28,2,26,8,28
					2	3,16,2,20,4,25,2,28,3
	Есть	69	93,9-100	2,0-2,1	3	21,2,28,3,31,2,22
					4	4,25,3,27,5,29,4,27,8,40
II	Нет	57,5	74,1-99,9	1,6-100	1	1,17,2,25,9,31,3,30
					2	2,28,3,12,2,24,8,13
	Есть	58	76,7-100	1-7-1,8	3	2,13,4,15,2,25,3,28,2,31,3
					4	16,4,18,2,22,3,17,2,40
III	Нет	56,5	77,1-99,9	1,6-100	1	1,12,2,21,3,3,23,24,2
					2	3,20,2,29,3,18,8,16,2
	Есть	57	80,3-100	1,6-1,7	3	20,3,13,2,15,3,30,7,22
					4	2,6,24,19,2,14,3,29,4,40
IV	Нет	68,5	80,8-99,9	1,9-100	1	1,23,4,27,3,24,2,30
					2	3,12,2,16,3,14,2,12
	Есть	69	84,1-100	2,0	3	3,20,2,17,3,14,2,27
					4	4,15,3,30,2,22,8,40
V	Нет	62	65,5-99,9	1,7-100	1	1,20,4,27,23,6,26
					2	3,16,2,29,5,15,2
	Есть	62	68,0-100	1,8	3	31,5,14,2,31,5,18,4,16
					4	2,24,6,19,2,10,3,40
’Обозначения операций: 1 - установка базовой детали прибора, собираемого на ПС; 2...11 - различные сборочные операции (сварка, завинчивание, пайка и т.д.); 12...31 - установка собираемых деталей на базовую деталь; 32...39 - резервные операции; 40 - снятие собранного прибора с ПС и укладка его в тару.
578
В качестве исходных операций КП (модуль 7) используют годовую программу выпуска деталей по наименованиям, характеристики маршрутных технологических процессов (штучное время и время текущей подготовки производства), скорость потребления деталей сборочным цехом, экономические показатели (стоимость станков, складов и транспортных устройств, переналадки станков и хранения деталей).
Для расчета оптимальных партий запуска (модуль 2) применяют итерационную процедуру. В модуле 3 сначала определяют загрузку станков с однономенклатурной обработкой. Перед расчетом станков с многономенклатурной обработкой необходимо упорядочить исходные данные по возрастанию длительности поставки деталей сборочному цеху.
В результате работы модуля 4 определяется оптимальная последовательность запуска деталей в обработку, обеспечивающая минимальное суммарное время переналадок с помощью эвристического алгоритма. Входом программного модуля 5 являются результаты расчета производственной структуры ГПС, а также технические характеристики оборудования и производственных площадей (рис. 16.22). Рассчитывают потребность во вспомогательном оборудовании и размещение основного и вспомогательного оборудования. Файл графических данных содержит описания графических образов станков и модулей, складов, секций комплектации и других подсистем. Затем, исходя из типа обслуживающего транспортного устрой-
Рис. 16.22. Структурная схема программного модуля 5 комплекса диалоговых программ проектирования производственной и компоновочных структур ГПС
579
ства, выбирают компоновочную структуру ГПС с централизованным межоперационным складом-накопителем и размещают оборудование. Результатом работы модуля 6 (рис. 16.23) является чертеж компоновочной схемы ГПС, выполненный на графопостроителе.
В МГТУ им. Н.Э. Баумана алгоритм компоновки систем (см. рис. 16.19) реализован для персональных компьютеров типа PC АТ/ХТ в виде комплекса программ, который используется для оптимизации конструкции станочных систем из станочных модулей и многоцелевых станков. Имеется аналогичный
Рис. 26.23. Структурная схема модуля 6 для вывода графической информации
комплекс программ для
проектирования компоновочной схемы автоматических линий. Например, эти программные комплексы позволяют выбирать при заданной производительности станочной системы число станков или позиций обработки и уровень автоматизации оборудования. Процедура синтеза станочных систем построена с учетом вариантности конструкции подсистем при минимизации затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования. В табл. 16.9 приведены результаты трехпараметрической оптимизации структуры автоматической линии с помощью программы, реализованной по алгоритму, приведенному на рис. 16.12.
16.9. Результаты оптимизации структурных параметров автоматической линии
Номер варианта	Q, шт/смену	Л тыс. руб.	Я	п	Р
1	450,09	59,65	6,99	2,10	1,15
2	450,57	61,61	8,48	3,09	1
3	436,94	59,07	8	3	1
4	447,50	61,89	8	4	1
5	460,65	63,82	9	3	1
6 .	473,27	66,64	9	4	1
7	450,09	73,05	4,60	0,73	2
8	348,84	68,86	4	1	2
9	363,52	74,50	4	2	2
10	528,96	78,37	5	1	2
11	567,16	84,00	5	2	2
Первый вариант автоматической линии получен при непрерывном изменении параметров р, q и и; второй и седьмой варианты - при непрерыв-580
ном изменении параметров q,n и фиксированных значениях р (р = 1, р = 2). Остальные варианты АЛ соответствуют целым значениям параметров р, q и п. Наилучшим является вариант 4 при д = 8, п = 4ир = 1, который обеспечивает заданную производительность обработки и минимальные приведенные затраты.
Аналогичная задача для определения числа станочных модулей СтС, но при переменной программе выпуска деталей может быть сведена к задаче динамического программирования. Исходной является требуемая станкоемкость обработки в месяц на рассматриваемый период времени. В качестве целевой функции используется сумма затрат, необходимая для поддержания производства в случае отклонения фактической станкоемкости от заданной. Так, если используется больше станочных модулей, чем требуется, то затраты увеличиваются за счет складирования готовых деталей. Если же число станочных модулей меньше заданного, затраты на производство деталей увеличиваются за счет использования дополнительного менее производительного оборудования. При увеличении числа станочных модулей учитываются затраты на их переналадку.
Для реализации объектно-ориентированного подхода к проектированию станочных систем и технологического оборудования разработан про-граммно-методический комплекс - интеллектуальная компьютерная среда (ИКС) для ПЭВМ - являющийся программной средой. ИКС осуществляет комплексную программную поддержку процессов разработки, сопровождения, адаптации и эксплуатации конкретных прикладных программ. С помощью ИКС реализуется концепция создания ПО на ПЭВМ, основанная на принципах интеллектуализации, индивидуализации и интеграции. В состав ИКС входят системы управления базами знаний и базами данных, инструменты для автоматического и диалогового создания программ, реализующих конкретные задачи пользователей, инструменты для реализации «дружественного» интерфейса «человек - ЭВМ», средства для создания и ведения графических образов (двухмерная графика).
В состав ИКС входят следующие компоненты: система словарей -справочников данных; при работе с таблицами; интерпретатор действий пользователя; генератор программ по спецификации действий пользователя; генератор программ по блокам принятия решения; графическая обработка; система управления экраном; планировщик действий в рамках ПрО.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Аверьянов О.И., Да щен ко А.И., Межов А.Е. Агрегатно-модульный принцип построения гибких автоматизированных линий и оптимизация их структурнокомпоновочных схем // Вестник машиностроения. - 1986, № 5. - С. 34—40.
2.	Автоматизированное проектирование гибких производственных систем / А.И. Левин, Л.Ю. Лищинский, С.В. Пичев, Ю.А. Затолокин // Станки и инструмент. - 1987, № 3. -С. 4 -7.
3.	Васильев Т.Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков. - М.: Машиностроение, 1987. - 280 с.
4.	Васильев Т.Н. Компоновочное проектирование станков и станочных систем // Машиностроительное производство: Серия «Автоматизированные системы проектирования и управления»: Обзор информ. - М.: ВНИИТЭМР, 1989. - Вып. 4. - 60 с.
581
5.	Васильев Г.Н. Методология структурно -параметрической оптимизации технического уровня производственных систем на базе регрессионных моделей проектирования // Вестник МГТУ: Сер. «Машиностроение». - 1993, № 4. - С. 123 -133.
6.	Васильев Г.Н. Оптимальное проектирование станочных систем // Известия вузов. -М.: Машиностроение, 1987. -№ 10. - С. 142 -153.
7.	Ветко А.И., Калинин В.В., Князев Д.А. Автоматизированное проектирование планировки автоматических линий И Станки и инструмент. - 1989, № 12. - С. 3 -5.
8.	Дудко Е.А., Найдек А.В., Ямпольский Л.С. Автоматизированная подсистема и выбор промышленного робота // Станки и инструмент. - 1984, № 12. - С. 3 -5.
9.	Евдокимов С.А., Рыбаков А.В. Программно-компьютерная среда для автоформализации инженерных знаний // Вестник машиностроения. - 1990, № 7. - С. 40 -44.
10.	Зайченко Ю.П. Исследование операций: Учеб, пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа, 1979. - 392 с.
1	Г. Корендясев А.И., Серков Н.А., Стояченко С.С. Структурно-параметрический синтез гибкой автоматизированной сборочной линии с несинхронным конвейером // Станки и инструмент. - 1998, № 4. - С. 4 -6.
12.	Кудинов А.В. Обоснование уровня автоматизации при создании станочных систем механической обработки // Станки и инструмент. - 1987, № 7. - С. 7 -8.
13.	Левин А.И. Система автоматизированного проектирования для АЗ Московского станкостроительного ПО «Красный пролетарий» // Станки и инструмент. - 1991, № 3. -С. 9-12.
14.	Лищинский Л.Ю. Структурный и параметрический синтез гибких производственных систем. -М.: Машиностроение, 1990. - 132 с.
15.	Лищинский Л.Ю., Генис А.Л. Выбор структур гибких производственных систем И Станки и инструмент. - 1989, № 9. - С. 4 -6.
16.	Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах. - М.: Мир, 1980. -662 с.
17.	Металлорежущие станки и автоматы: Учеб, пособие для машиностроительных втузов / Под ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1981. - 479 с.
18.	Нахов М.Б. Выбор числа станков, входящих в состав роботизированных технологических участков // Станки и инструмент. - 1987, № 7. - С. 9 -10.
19.	Новоселов Ю.К., Харченко А.Ф. Выбор оптимальной структуры гибкого производственного модуля // Станки и инструмент. - 1987, № 2. - С. 5 -7.
20.	Портман В.Т., Скляревский Е.И., Партина Ю.Д. Опыт создания и эксплуатации автоматизированного банка данных по автоматическим линиям, агрегатным и специальным станкам // Станки и инструмент. - 1991, № 4. - С. 2 -5.
21.	Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. - Т.1: Проектирование металлорежущих станков: Справочник-учебник / Под ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1995.-448 с.
22.	Прохоров А.Ф. Конструктор и ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1986. -272 с.
23.	Рыжова В.Д., Черпаков Б.И. Выбор состава оборудования ГПС // Станки и инструмент. - 1988, № 9. - С. 2 -4.
24.	Серебряный В.Г. Выбор номенклатуры обрабатываемых деталей при поэтапном создании гибких автоматизированных производств // Станки и инструмент. - 1985, № 12. -С. 2-3.
25.	Системы автоматизированного проектирования: Учеб, пособие для техн, вузов: В 9 книгах. - Кн.6: Автоматизиция конструкторского и технологического проектирования / И.М. Капустин, Г.Н. Васильев; под ред. И.П. Норенкова. - Минск: Вышейша школа. -1988.-191 с.
26.	Снаксаров А.М. Оптимизация размещения технологического оборудования гибких производственных систем // Станки и инструмент. - 1987, № 8. - С. 2 -4.
27.	Стоянченко С.С. Определение рациональной расстановки оборудования в гибком автоматизированном производстве И Станки и инструмент. - 1985, № 4. - С. 7 -9.
582