CC BY
209
УДК 681.325.5;6 21 09.06.529
Б.Э. Шлишевский, А.Н. Соснов СГГ А, Новосибирск
ГИБКАЯ АВТОМАТИЗАЦИЯ. ЦЕЛИ И МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ.
ТЕРМИНОЛОГИЯ
Комплексная автоматизация производства это основное направление технического прогресса в промышленности [1].
Основной целью автоматизации при обработке конструкционных материалов в оптическом приборостроении в условиях серийного производства является мобильность и экономически рентабельная адаптация к рыночному спросу, т. е. к изменению номенклатуры и величины партии отрабатываемых деталей.
Немаловажным является социальный аспект проблемы: облегчение условий труда, его облагораживание и интеллектуализация, а так же повышение и стабилизация качества изделия, т. е. управление качеством продукции в процессе обработки.
Эти компоненты при автоматизации достигаются надежнее и эффективнее, чем при использовании универсальных станков с ручным управлением.
Выпускающиеся, до последнего времени технологические машины -станки и станочные системы для серийного производства располагают практически неограниченной гибкостью, так как представляют собой в большинстве случаев универсальное оборудование ограниченной функциональности - токарные, фрезерные и другие станки с ручным управлением. В этих станках и системах основной является проблема автоматизации всех функций, при сохранении существующей гибкости. Автоматические станки существуют уже давно. Их создают для выпуска деталей без участия человека. Управление отдельными механизмами станка осуществлялось, в основном, с помощью жестких программоносителей -комплектов специальной оснастки: эксцентриков - кулачков, копиров, упоров, путевой электроавтоматики. Оснастка изготавливалась для каждой конкретной детали отдельно. Перенастройка автоматов вызывала значительные затраты средств и времени. К такому оборудованию относятся широко используемые в промышленности автоматы: токарные, токарноревольверные, продольно-фасонного точения, холодно-высадочные и многие другие типы оборудования.
В условиях массового производства на протяжении многих десятилетий наиболее эффективными технологическими системами являются специализированные станки - автоматы и автоматические линии с «жёсткими» системами управления, построенные по агрегатному принципу из унифицированных узлов и предназначенные для обработки определённых деталей. Целесообразность «жёсткой» автоматизации для стабильного
производства больших партий деталей в обозримом будущем для многих производств не вызывает сомнений, однако их адаптация даже к незначительным изменениям конструкции изделий является чрезвычайно трудным (и практически невозможным) делом.
Во многих случаях промышленность всё больше нуждается в новых системах автоматизации, в которых во внимание принимались бы как выше указанные обстоятельства, так и следующие факторы:
В связи с тем, что 75 - 80% всей продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями, автоматизация такого производства связана с большими затруднениями. В то же время с каждым годом сроки коммерческой эксплуатации любого вида продукции сокращается, номенклатура растёт, а изделия систематически подвергаются конструктивному совершенствованию и модернизации. Значительная часть специальных средств производства, площадей и сложной технологической оснастки используется не полностью.
Высокая стоимость кредитов и незавершённого производства исключает хранение избыточных запасов заготовок и готовых деталей.
Следовательно, создание гибких технологий и автоматического оборудования для серийного изготовления продукции с эффективностью и преимуществами близкой к массовому производству является весьма актуальной и важной задачей. Путь к ее решению занял почти сорок лет и был многотрудным. Исследования в достижении поставленной цели были постоянно и неразрывно связаны с важнейшими достижениями научнотехнической революции XX века. Ими занимались специалисты всех развитых стран. Требовались новые подходы и решения. И они были найдены на стыке механики, электроники, электротехники, гидравлики, вычислительной техники, технологии машиностроения, автоматики, автоматизации и других наук. За указанный период было создано, апробировано и освоено производством несколько поколений и разновидностей принципиально новых систем автоматического управления на основе цифровой технике (без жестких программоносителей), которые отличались элементной базой, функциональностью, способами программирования, программоносителями и имели узко специализированную аппаратную структуру для управления технологическими функциями конкретных типов или моделей металлообрабатывающих станков. Эти системы управления получили обобщенное наименование «Устройство числового программного управления» (УЧПУ). Сочетание системы станок - УЧПУ, обусловило необходимость в разработке многих сотен и тысяч оригинальных, ранее не известных, технических решений по коренной реконструкции и усовершенствованию всех типов технологического оборудования и аппаратуры для его состыковки с УЧПУ, по проектированию прогрессивных технологий, включая работу по созданию и внедрению принципиально новых, на порядок более производительных, режущих инструментов и другого технологического оснащения (например, приборов для предварительной
настройки инструментов вне станка). Разработаны принципиально новые типы станков - автоматов и полуавтоматов - многоцелевые станки сверлильно - фрезерно - расточной группы и на два десятилетия позже -токарной группы для обработки деталей из стали, чугуна, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, металлов армированных стекловолокном и иных конструкционных материалов. В международной практике их именуют соответственно обрабатывающий центр (ОЦ) и токарный обрабатывающий центр (ТОЦ).
Наиболее широкое применение на практике получили станки, оснащенные УЧПУ типа NC (Numerical Control), которые в результате их эволюционного развития позволили достичь сравнительно широких технологических возможностей: линейной (в трех осях) и линейно-круговой интерполяции, коррекции положения инструментов, выдача на станок большого числа необходимых команд и ряд других. Станки с NC УЧПУ имели большую мощность, жесткость и число оборотов шпинделя, чем универсальное оборудование с ручным управлением; работали в полуавтоматическом или автоматическом (при наличии соответствующих загрузочных устройств) цикле, что позволяло обеспечить многостаночное обслуживание, стабильно повторяемую точность обработки, повышение производительности и комфортности труда оператора.
Первые поколения упомянутого оборудования сыграли положительную роль в прогрессе механической обработки и в обеспечении, но в ограниченных пределах, гибкости производства. Однако NC УЧПУ и станки на их основе имели существенные недостатки: не позволяли непосредственно на рабочем месте у станка редактировать и совершенствовать управляющие программы (УП), адаптироваться к изменениям условий производства; отсутствовали оперативно-запоминающие устройства (ОЗУ) для хранения УП, а так же дисплей или развитый пульт управления с элементами цветовой индикации и другие средства визуализации. Проектирование УП, ее кодирование и отладка были сложным, трудоемким и, в то же время, рутинным процессом; недостаточно надежно функционировала релейная автоматика связи УЧПУ - приводы станка. УЧПУ и релейная автоматика выполнялись в виде отдельно стоящего шкафа, что создавало неудобство в эксплуатации, увеличивалась занимаемая производственная площадь. Цена станков резко возросла, что не всегда обеспечивало нормативный срок их окупаемости.
Но главным недостатком системы NC была невозможность изменить и расширить первоначально заложенные в них функциональные возможности, так как это требовало изменения электрической схемы самого устройства. Этим обуславливалась ограниченная мобильность и гибкость первых поколений УЧПУ. В то же время, можно отметить, что в станки с NC УЧПУ на многих предприятиях эксплуатируются до настоящего времени, по -видимому, в связи с отсутствием финансовых средств для их замены.
Предпосылки оптимального решения проблем гибкой автоматизации технологического оборудования появились в середине 80-х годов прошлого
столетия в результате создания микро и мульти микропроцессорных УЧПУ, построенных по структуре универсальных мини ЭВМ, но во много раз меньшие по габаритам и по стоимости, обладавшие на порядок, и более, мощными вычислительными возможностями. Их именуют CNC (Computer Numerical Control). Наиболее важной отличительной особенностью систем ЧПУ с микропроцессорным управлением является многообразие задач, которые они способны решать. Рабочие функции в CNC УЧПУ выполняются не аппаратно, а так называемым «математическим обеспечением», т. е. программой хранящейся в памяти микропроцессора. Эта программа в определенных пределах может меняться и адаптироваться без физического изменения конструкции схемы.
Таким образом, появление микропроцессоров, как оригинального перепрограммируемого элемента памяти, открыло новую эпоху в методах управления технологическим оборудованием, а микроЭВМ на их основе, стали важнейшим элементом современных электронных управляющих устройств станками, машинами и системами машин. CNC УЧПУ за счет мощного программно-математического обеспечения радикально повысили гибкость, функциональность и, что особенно важно, надежность эксплуатации станков типа ОЦ и ТОЦ.
CNC УЧПУ обеспечивают линейную, круговую, цилиндрическую, спиральную, параболическую интерполяцию; оснащены цветным дисплеем размером до 18 дюймов для визуализации процесса обработки или другой «зашитой» в УЧПУ информации; развитым пультом управления с квази-сенсорными виртуальными клавишами; обладают постоянной и оперативной памятью до 20 Мбайт и выше (по желанию заказчика). Обеспечивают: работу УП без ее прогона на станке с имитацией процесса обработки на экране дисплея (без реальной заготовки и инструмента) с контролем геометрических размеров, при необходимости, электронной лупой до 1000 крат; максимальную мобильность, гибкость. Позволяют в автоматическом режиме реализовать практически все функции технологического процесса: управление по 2 - 27 осям, в том числе интерполяцию одновременно по 2 - 6 осям, дискретность ввода - вывода информации до 0,1 - 0,05 мкм; высокие и высочайшие значения холостых и рабочих ходов, соответственно до 60 - 80 м/мин (холостые ходы органов подачи инструмента до врезания в заготовку) и до 60000 мин -1 (вращение шпинделя станка), большой диапазон их регулирования; могут хранить в оперативной памяти большое количество -до 999 управляющих программ и до 999 подпрограмм; работать без перфоленты или другого внешнего программоносителя от ОЗУ; имеют вводы- выводы подключения к ЭВМ более высокого уровня для трансляции, хранения и ретрансляции УП.
Наличие большой постоянной памяти в УЧПУ и широкого спектра вспомогательных функций G (от 40 до 200); техники «меню», автоматических циклов обработки (продольный и торцовый съем припуска при работе резцами или фрезами, нарезание резьбы до М64, глубокое прерывистое сверление, прорезка канавок различной конфигурации); циклов чистовой
обработки, многократного повторения контура, разгона и торможения (до 10 м/с2), циклы «привязки» инструментальных узлов станка к нулевым точкам; циклы врезания в заготовку и другие; параметрические подпрограммы обработки - до 99; большое количество макрокоманд; возможность ввода информации в УЧПУ на символьном языке; многоцветного дисплея и других средства визуализации с выводом на экран необходимых справочных цифровых, графических, текстовых, схемных, расчетно-аналитических и иных информационных материалов, что позволяет многократно упростить и ускорить процесс разработки, отладки УП, ее совершенствование и адаптацию к изменяющимся условиям производства. [2]
Много осевая объемная интерполяция обеспечивает обработку на ОЦ и ТОЦ практически всей номенклатуры многомерных базовых, точных деталей сложно-контурной формы используемых в машино-приборо стро ении.
Появилась возможность оснащать ОЦ и ТОЦ богатым набором периферийных устройств: для автоматического накопления заготовок и подачи их в рабочую зону; для контроля инструмента, изделия, состояния процесса обработки; для диагностики, мониторизации и визуализации процесса обработки; для диалоговой разработки и ручного ввода непосредственно на рабочем месте управляющих программ; для коррекции и совершенствования УП; для управления роботами, транспортно -накопительными системами заготовок и инструмента; для опознания кода деталей считывающим устройством; для автоматической коррекции износа режущих кромок инструмента и выполнения функций адаптивного управления; для решения широкого круга расчетно-аналитических задач.
К настоящему времени создано и эксплуатируются пять базовых поколений (и множество их разновидностей) многофункциональных CNC УЧПУ, для управления металлообрабатывающим оборудованием, которые сверх надежно обеспечивают решение практически всего спектра задач по резкому повышению производительности обработки и гибкости производства не только при условиях средне и крупно серийного производства, но и при обработке единичных изделий или заготовок мелкими сериями [3].
Современные УЧПУ оснащены системами автоматического проектирования технологического процесса, а так же возможностью разработки УП на новую деталь без остановки процесса механической обработки заготовки выполняемой на станке. Ряд зарубежных фирм освоили выпуск, так называемых, «интуитивных» УЧПУ (пятого поколения). Они предназначены для автоматического проектирования УП и управления станками типа ОЦ при обработке заготовок средних и крупных размеров с иррегулярной поверхностью из литья в землю и кузнечных поковок, со значительными величинами разброса размеров припусков. Выше упомянутые УЧПУ, перед обработкой, предварительно контролируют размеры обрабатываемых поверхностей каждой отдельной заготовки и в автоматическом режиме оптимизируют параметры обработки (глубину,
подачу и скорость резания). В оптическом приборостроении подобные заготовки - редкость и составляют не более 0,005 % от всей номенклатуры деталей. Более детальное исследование развития конструктивных и функциональных возможностей современных УЧПУ, включая и
«интуитивные», - предмет отдельного рассмотрения.
Следует отметить, что расширение функциональности и
технологических возможностей оборудования и систем ЧПУ является одним из концептуальных положений Гибкой автоматизации. Эта концепция способствовала тому, что за сравнительно короткий срок (12 - 15 лет) на основе блочно - модульного принципа создана гамма станков - автоматов с ЧПУ по всем типам металлорежущих станков. Эти станки в условиях серийного производства могут обеспечивать реализацию прогрессивных схем обработки деталей, перечисленных ранее и свойственных, как правило, массовому производству.
Таким образом, сложилась ситуация, при которой обработку
корпусных и других сложных, многомерных деталей в условиях массового и, в ряде случаев, крупносерийного производства экономически выгодно
выполнять на традиционном оборудовании с жёсткими системами управления. Это оборудование постоянно совершенствуется и развивается. При этом оно часто интегрирует в себе отдельные элементы, заимствованные из техники ЧПУ, что повышает его гибкость и технологические возможности. Но в объёме выпуска автоматических станков доля жёстко программируемого специального и автоматического оборудования увеличивается незначительно.
В то же время работы по внедрению в производство гибкой автоматизации за рубежом во всех типах производства, но особенно в серийном (мелко-, средне, - крупном), получают приоритетное развитие; существенно возросла надежность и производительность станков с УЧПУ и сервисных устройств к ним (роботов, манипуляторов, автоматического транспорта и других). Рассмотрим некоторые обобщённые технологические возможности многоцелевых станков [4].
Современные ОЦ и ТОЦ это системы механотроники самого высокого уровня. Они компактны, эргономично оформлены, имеют мощные высокодинамичные приводы; жёсткую конструкцию станины и всех узлов, термосимметричные направляющие и шпиндельный узел; снабжены большим количеством разнотипных инструментов и автооператорами для их последовательной замены по УП.
Многоцелевые станки воплощают идею концентрации и комбинации операций, широко функциональны и универсальны. ТОЦ и ОЦ обеспечивают одноточечное расположение оборудования в пространстве, 3-х - 6-ти стороннюю обработку, позволяют интегрировать и выполнять все или большее число разнородных технологических операций, например: получистовое и чистовое точение и растачивание, фрезерование всеми типами фрез, сверление, рассверливание, зенкерование, развёртывание, резьбонарезание метчиками и фрезами, и др. непрерывно, за один установ
заготовки, без её перемещения по цеху, что во много раз позволяет сократить длительность цикла производства и стабилизирует точность обработки.
Изготовление объёмно-сложных по форме, многомерных корпусных деталей и не центровых тел вращения может быть осуществлено полностью за один установ на одном станке или в гибкой технологической ячейке из двух станков последовательно или последовательно параллельно в автоматическом цикле. Существенно уменьшается потребность в
квалифицированной рабочей силе. Практически полностью исключается ручной труд на вспомогательных и машинных переходах обработки, ликвидируются (или сводятся до минимума) межоперационные
транспортные, контрольные, установочные и разметочные операции, складирование и пролёживание заготовок. Отпадает необходимость в многочисленных перемещениях заготовок по цеху и в большой номенклатуре дорогой специальной оснастки; обеспечивается возможность
многостаночного обслуживания. В результате достигаются преимущества, свойственные поточному крупносерийному производству.
Для повышения законченности цикла обработки и повышения уровня автоматизации и функциональности многоцелевые станки типа ОЦ оснащают одно и двух - поворотными столами, различными поворотными головками, в том числе многошпиндельными, для углового сверления и фрезерования; устройствами для автоматической замены спутников с заготовками и обработанными деталями. Станки типа ТОЦ комплектуют двумя и, реже, тремя револьверными головками, в том числе, с приводными инструментами и механизмом кругового позиционирования шпинделя - осью С в дискретном режиме 0 - 360 градусов.
Оба типа многоцелевых станков комплектуют различными системами активного автоматического контроля: деталей, инструментов, процесса обработки, самодиагностики УЧПУ и станка.
Перечисленные компоненты выдвигают ОЦ и ТОЦ на передний план в технологии гибкой автоматизированной обработки деталей объемно-сложной формы.
Многоцелевые станки и, во многих случаях, одноцелевые станки с CNC - ЧПУ являются первым уровнем гибкой автоматизированной обработки. Максимальное освоение их экономического потенциала по времени работы и техническим возможностям потребителями создаёт предпосылки для интенсивной разработки гибких технологий более высокого уровня: робототехнических комплексов (РТК), гибких производственных модулей (ГПМ), гибких производственных систем (ГПС).
Многоцелевые станки, в ряде случаев, целесообразно комплектовать промышленными роботами, автоматическими манипуляторами или системой спутников с установленными на них заготовками вне рабочей зоны станка. Универсальные станки, управляемые от УЧПУ, ОЦ и ТОЦ за рубежом (по их значимости в машино- и приборостроении) сравнивают с созданием паровой машины, автомобиля, самолёта, а гибкое автоматизированное производство (ГАП) - с достижениями космической техники.
Эти достижения позволили перейти к качественно более прогрессивному этапу технологии и организации производства, который в литературе всё чаще определяется термином «Гибкая автоматизация». Ниже приводится их терминология (таблица №1).
Таблица 1 . Терминология
Обозначение Определение
Русское Междунаро дное
Гибкие производственные системы (ГПС)
ГПС FMS Гибкая производственная система (это обобщающий термин для всех уровней гибкой автоматизации) - совокупность оборудования с УЧПУ (ГПМ, станки, транспорт и т.д.) с управлением от ЭВМ, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.
ГПМ FMM Гибкий производственный модуль - обрабатывающий центр с накопителем заготовок, магазином инструмента и автоматическим осуществлением всех функций. Понятие ГПМ относится и к робототехническому комплексу, если предусмотрена возможность встраивать его в ГПС более высокого уровня.
ГАЛ Гибкая автоматическая линия - ГПС, в которой оборудование расположено в заданной последовательности технологических операций
ГАУ Гибкий автоматизированный участок - ГПС, в которой предусмотрено изменение последовательности использования технологического оборудования.
ГАЦ FMF Гибкий автоматизированный цех - ГПС для изготовления изделий (узлов) заданной номенклатуры, включающая в себя несколько ГАУ или ГАЛ с общей транспортной и складской системой.
В дореформенные годы в нашей стране проводились серьёзные теоретические и прикладные исследования, включая опытно -конструкторские работы по внедрению гибкой автоматизации в машино-приборостроении. При рыночных преобразованиях результаты этих работ существенно замедлились или совсем приостановились. Многие достижения и накопленный опыт утеряны или не востребованы. Однако гибкая автоматизация в технологии металлообработки - необратимая ценность. Это определяет насущную необходимость ее более интенсивного и широкого
промышленного использования. Здесь, по-видимому, целесообразно использовать стимулирующие и координирующие воздействия государственных институтов, как это принято во всех промышленно развитых странах. Одними из необходимых мер, в этом плане, являются: многократное усиление государственной поддержки инновационной активности машино-приборостроения; стимулирования научно-технического прогресса за счет увеличения бюджетных ассигнований и жесткий контроль их целевого использования; освобождение от налогов расходов из прибыли предприятий на внедрение новой техники, включая финансирование мероприятий по внедрению гибкой автоматизации механического производства по всем его технологическим переделам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Штаймхимлер Р. «Концепция технологии 90-х годов. Автоматика и
робототехника». Издательство: Модерн Индустрии (Германия) и Ост Контакт
(Швейцария) № 2 1990 г. С. 12 -18.
2. Шлишевский Б.Э., Соснов А.Н., Трифонов Е.Е. «Микропроцессорные устройства ЧПУ и Гибкая автоматизация оборудования в оптическом приборостроении». Новосибирск, НИГАиК, 1989 год, 143 с.
3. Каталоги и проспекты, материалы симпозиума фирм производителей УЧПУ за 2002 - 2004 год: ^jdenchajn, Siemens, Boch, Traub, Gildemejster (ФРГ); Fanuc, Jmazaki, Окита (Япония); Facor (Испания) Num (Франция).
4. Каталоги, проспекты и материалы симпозиумов (по ОЦ и ТОЦ) станкостроительных фирм: ОАО «СТЕРЛИТОМАК - М. Т. Е», ОАО «ИЗТС», ОАО «Красный пролетарий», ОАО «РСЗ» (Россия); Heckler - Koch, Hüller - Hille, Burkhardt und Weber, Maho, F. Werner, Ех - Cell - O, Mauser, Traub, Gildemeister (ФРГ); Cincinnati Milackron, Kearney + Trecker, НААS AUТОМАТЮN (США); Oerlikon, Wyssbrod, Wahli (Швейцария); Olivetti, Mandelli (Италия); Mitsui Seiki, Roki - Rorki, Makino, Tayoda, ОКиМА (Япония); Bridgenort (Англия). 2000 - 2004 г.
© Б.Э. Шлишевский, А.Н. Соснов, 2006
