CC BY
5
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-19-20
ОСОБЕННОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕЛКОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Ю.Э. Голодков, В.В. Ёлшин, Е.Ю. Ларионова, М.С. Лазарев
Выполнен анализ основных условий, которые влияют на эффективное использование автоматизированной сборки изделий в условиях мелкосерийного производства: низкая окупаемость при невысоких объемах производства, недостаточная технологичность конструкции, отсутствие типовых устройств для автоматизации сборки, конструктивная сложность, нестабильность размеров и многообразие форм деталей собираемых изделий, уровень взаимозаменяемости, стандартизации и унификации деталей. Показано, что для получения наибольшего эффекта усилия должны быть направлены на автоматизацию таких элементарных процессов как подача, ориентация и сопряжение элементов
Ключевые слова: автоматизация, мелкосерийное производство, типизация процессов.
Автоматизация является одним из важнейших направлений развития предприятий, обеспечивающее выполнение производственных и управленческих процессов при помощи механизмов и машин, а также сокращение многих процедур, требующих человеческого участия. Изучение процессов развития, накопления и систематизации знаний в области автоматизации можно отнести к актуальным вопросам научно-технического прогресса [1, С.17, 2]. В работе представлены результаты разработки системы автоматизированного процесса изготовления промышленных рукавов различной номенклатуры в условиях машиностроительного производства. Для предприятий такого назначения данные операции относятся к мелкосерийному производству, но имеют чрезвычайно большое значение для повышения производительности труда и повышения качества выпускаемой продукции. Сложность решения подобной задачи связана с отсутствием специфического оборудования и типизации процедур на предприятии.
Исследовательская часть. Сборочные процессы, как правило, являются финальным этапом производства и выпуска продукции. Технология сборки заключается в соединении и обеспечении правильного расположения деталей и сборочных единиц друг относительно друга. Степень участия человеческого фактора различается в зависимости от масштабности производства. В случае мелкосерийного производства участие человека имеет существенное значение, при среднесерийном производстве данный факт сводится к минимуму, массовое производство предполагает отсутствие человеческого труда за счет полного внедрения систем автоматической сборки и поточного характера движения предметов труда.
Для сборочного производства в настоящее время характерны тщательная технологическая подготовка и совершенствование используемых методов сборки. Подготовка может включать изучение вопросов технологичности изделия, типизации процессов сборки, проработки вспомогательных процессов транспортирования изделий в процессе сборки, установки изделий на сборочных позициях, их контроль на различных этапах сборки и проведения испытаний [3, С.556, 4].
Основными этапами подготовительных процессов являются [5, С.17]:
1. Разработка проекта технологического процесса сборочного производства.
2. Определение технологических особенностей производственных операций.
3. Расчет и размещение оборудования для заданного объема продукции, необходимого количества материалов, комплектующих, работников.
Первые два этапа являются наиболее важными, так как на этих стадиях определяется точность ориентирования деталей, подлежащих сборке, их базирование, захват и перемещение в пространстве сопрягаемых друг относительно друга или, так называемое, сборочное приспособление деталей. При этом выполняется проверка основного условия, необходимого для успешного внедрения автоматизированной сборки: все соединения деталей должны быть стандартизованы и нормализованы.
Автоматизация сборки способствует повышению качества изделия, увеличению производительности труда, уменьшению себестоимости сборочных работ, сокращению штатов, уменьшению производственных площадей, а также снижению производственного травматизма рабочих [3, С.556]. Несмотря на все это, трудоемкость сборочных работ на машиностроительных предприятиях в большинстве случаев превосходит трудоемкость механообработки резанием и превышает затраты труда на других видах производств, занимая непропорционально большой удельный вес в структуре производства (до 40% для машин и механизмов) [6, С.780]. Даже с учетом преимуществ использования автоматизированных сборочных процессов, их внедрение происходит медленным темпом.
Факторы, затрудняющие внедрение автоматизированных сборочных процессов, можно разделить на несколько групп:
1. Низкая окупаемость при невысоких объемах производства.
Существует относительно небольшое количество товаров, выпуск которых экономически эффективен только при массовом производстве. Однако часто продукция выпускается небольшими партиями, что означает пер-сонализацию товаров для потребителя [7, С.14]. Как результат, значительная часть современного производства стремится к единичному или мелкосерийному производству, сокращению времени производства в результате конкуренции, и при этом, поддержанию высокого качества и снижению стоимости продукта.
2. Изделия, собираемые вручную или непригодны, или сложны и неэффективны для изготовления автоматизированным способом.
Большую роль при автоматизации сборки имеет технологичность конструкции, во многом это определяет степень автоматизации процесса сборки. Для предприятий со средним объемом выпуска продукции и широкой номенклатуры характерно использование партионного метода организации производства с применением полуавтоматической сборки и механизированных средств. Слабая механизация и автоматизация сборочных процессов в этом случае объясняется недостаточной технологичностью собираемых изделий, отсутствием типовых устройств для автоматизации сборки, нестабильностью размеров собираемых деталей изделия.
19
3. Конструктивная сложность изделий может затруднять подачу, фиксацию и ориентирование деталей автоматическими средствами.
Технологический процесс автоматической сборки включает в себя загрузку деталей в разгрузочные и транспортные устройства, их перемещение, базирование и относительную ориентацию на сборочной позиции с заданной точностью. Затем осуществляется сам процесс сборки изделия и выполнение контроля качества процесса.
Каждый из этих этапов требует решения ряда проблем. Например, не каждую деталь представляется возможным подать в зону сборки стандартными бункерными методами, а перед сопряжением детали должны быть выставлены в определенном устойчивом положении. Большую трудность в процессе сборки может представлять их ориентирование друг относительно друга в пределах размерного поля допуска для осуществления сборки.
4. Стандартизация и унификация. Полная взаимозаменяемость является очень эффективной при автоматизированной и автоматической сборке, а это требует высокой точности изготовления деталей и небольших отклонений их размерностей.
Под стандартизацией и унификацией понимается анализ деталей по их типу и размеру на основе параметрических рядов, рассмотрение возможностей к взаимозаменяемости деталей и узлов, целесообразное ограничение и сведение к минимуму вариантов конструкций и улучшение показателей надежности и долговечности вместе со снижением себестоимости и расхода материалов при производстве продукции [8, С.15]. Самым важным требованием при унификации и стандартизации является стремление к повышению технологичности конструкции.
В основе стандартизации и унификации лежит классификация основных параметров изделия, создание рядов предпочтительных чисел (параметров) изделия для последующего сокращения номенклатуры, как инструмента создания сборочных единиц, так и самих сборочных узлов [9, С.94]. При выполнении этих требований возрастает уровень взаимозаменяемости, происходит повышение серийности, технического уровня и качества выпускаемой продукции, что в промышленных масштабах приводит к существенной экономии.
Соблюдение перечисленных факторов позволяет решить основной вопрос типизации производства, когда для удовлетворения потребностей заказчика достаточно внести в конструкцию сборочной единицы незначительные изменения. Поэтому внедрение данных принципов позволяет снизить сроки проектирования и освоения новой технологии [10, С.63].
Принимая во внимание перечисленные факторы, авторы решили задачу автоматизации процесса сборки рукава высокого давления заданной длины в мелкосерийном производстве машиностроительного предприятия. Процесс сборки рукава высокого давления, как объект автоматизации представляется достаточно сложным, так как промышленные рукава не имеют строгой классификации, их номенклатура зависит от характера дальнейшего использования в конкретной отрасли.
В данной работе рассматриваются гибкие резиновые рукава, которые служат для передачи горючесмазочных материалов, жидкостей и сжатых газов. Используемые материалы для рукава должны обеспечивать мас-лобензостойкость, морозостойкость и иметь достаточные прочностные свойства изделия, чтобы выдерживать рабочие давления. Рукава высокого давления, как сборочные единицы, могут различаться между собой длиной и диаметром резинового шланга, конструкциями муфт, фитингов или присоединительной арматуры. Процесс сборки рукава включает такие стадии как, отрезка необходимой длины, производство рукава, представляющее собой удаление поверхностного слоя резины на определенное расстояние от торца рукава, последующую установку муфты и присоединительной арматуры (в том числе фитинга) и обжатие муфты.
Автоматизация данного процесса изготовления и сборки рукавов высокого давления заданной длины выполнено на основе использования промышленного робота, схема которого представлена на рис. 1.
Бухта, предварительно намотанная на разматыватель рукавов (1), подается на отрезной станок (2), где рукав отрезается в нужный размер и подхватывается схватом промышленного манипулятора (9), далее рукав подается в окорочный станок (3). Затем, последовательно выполняются операции с рукавом, захваченным схватом манипулятора, на продувочном станке (4), сборочном столе (5), опрессовочном станке (6). После опрессовочного станка, рукав попадает на поворотный стол (7) и ориентируется для схвата манипулятора с целью захвата второй стороны рукава и выполнения операций, начиная с окорочного станка и заканчивая опрессовкой. В завершение цикла изготовления рукав попадает на заборный стол (8). Цикл начинается для следующего рукава в партии.
В качестве промышленного робота в связи с высоким диапазоном переносимой массы и расстояния между операционными зонами выбран промышленный робот CRP RH18-20 [11]. Данный робот обладает компактными размерами, позволяя производить установку в условиях ограниченной возможности позиционирования схвата (рис. 2).
Рис. 2. Промышленный робот CRP RH18-20: а - общий вид: б - основные геометрические возможности
робота
Технические данные робота указаны в таблице.
Параметры промышленного робота CRPRH18-20
Наименование параметра Значение параметра
Степень подвижности 6 осей
Максимальная нагрузка (кг) 20
Максимальный охват (мм) 1720
Точность позиционирования (мм) ±0,08
Диапазон движения по осям(°) Ось 1 - 167-167 Ось 2 - 0-175 Ось 3 - 80-150 Ось 4 - 190 -190 Ось 5 - 105-130 Ось 6 -210-210
Скорость движения по осям (°/сек) Ось 1 - 159 Ось 2 - 159 Ось 3 - 169 Ось 4 - 280 Ось 5 - 240 Ось 6 - 483
Для промышленного робота необходим захватный орган - схват, который должен обладать достаточной точностью, величиной хода и быстродействием, а также надежностью и долговечностью. Рукав является телом вращения. В качестве схвата для удержания рукава выбран двухпальцевый пневматический захват CKD HEP-7CS [12] с силой захвата 450 Н. Для схвата промышленного робота разработаны захватные пальцы в соответствии с [13], которые обеспечивают силу захвата манипулятора 115 Н.
Удерживающая сила пневматического захвата должна превосходить силу тяжести рукава с захватным устройством и инерционные нагрузки, действующие на деталь в процессах разгона и торможения звеньев промышленного робота.
Усилие схвата манипулятора для достаточного прижимного усилия и точного перемещения рукава в схвате манипулятора должна составлять 50 % от максимально возможной, что в условиях ограниченной площади необходимо и достаточно. Сравнение рассчитанной силы захвата манипулятора и технической характеристики манипулятора позволяет с уверенностью утверждать, что усилие выбранной системы захвата превосходит рассчитанную удерживающую силу рукава, необходимую для реализации данной системы.
Выполнение всех задач системы управления по обеспечению работы оборудования, входящего в состав автоматизированного комплекса, обеспечивает программируемый логический контроллер.
Для обеспечения надежной и безопасной работы автоматизированного комплекса организован непрерывный контроль состояния сборочного процесса на различных этапах. Для этого в схему управления встроены отдельные устройства для обеспечения контроля над процессом и сигнализацией, которые информируют оператора и систему о состоянии механизмов с целью получения информации о работе комплекса оператором и остановки в случае аварийной ситуации. Процесс контроля сводится к полной автоматизации в процессе сборки для повышения производительности комплекса. Система автоматического контроля обеспечивает бесперебойную и безопасную работу комплекса, включая фиксирование, коррекцию и контроль технологических параметров процесса.
Заключение. Таким образом, учитывая особенности сборочных процессов в мелкосерийном производстве машиностроительного производства, на примере изготовления рукавов высокого давления различной номенклатуры была разработана структура автоматизированного комплекса.
Данная структура автоматизированной линии по сборке рукавов высокого давления позволила:
1. Увеличить производительность процесса и качество изделий за счет использования непрерывного автоматического управления операциями и более точного выполнения технологических процедур по сравнению с ручным трудом;
2. Получить существенную экономию за счет рационального использования исходных материалов, более строгого соблюдения регламентных требований к выполнению механических операций;
3. Повысить безопасность технологического процесса и улучшить условия труда за счет исключения присутствия персонала в производственной зоне и использования более интеллектуальной формы организации труда.
В итоге следует отметить, что внедрение автоматизации процессов сборки, для которых характерна большая трудоемкость, позволяет значительно повысить производительность труда. Уровень автоматизации сборочного производства определяется сложностью процессов сборки элементов, экономической эффективностью в зависимости от масштаба серийности на производстве, а также степени подготовленности самого предприятия к внедрению таких систем. Изучая факторы, затрудняющие внедрение автоматизированных сборочных процессов, можно сделать вывод, что достижение положительного эффекта при массовом сборочном производстве, как правило, реализуется успешно. Однако относительно мелкосерийного производства такое утверждение не всегда справедливо, каждый сборочный процесс требует частного рассмотрения.
Список литературы
1.Хасцаев Б.Д. Автоматизация и планирование процессов производства на предприятиях. / Б.Д. Хасцаев, А.А. Засеев // Национальная ассоциация ученых (НАУ). 2020. 61. С. 17-21. DOI: 10.31618/nas.2413-5291.2020.1.61.308.
2.Брюханов В.Н. Автоматизация производства. М.: Высшая школа, 2016. 367 с.
З.Чечуга А.О. Особенности разработки технологических процессов автоматизированной и роботизированной сборки. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 9. С. 555-559.
4.Капустин Н.М., Кузнецов П.М., Схиртладзе А.Г. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учебник для втузов. М.: Высшая школа, 2004. 415 c.
5.Бобровская О.П. Разработка автоматизированной системы планирования и подготовки сборочного производства. / О.П. Бобровская, Ф.Ф. Иванов // Вестник кибернетики. 2020. 3(39). С. 16-24. DOI: 10.34822/19997604-2020-3-16-24.
6.Есюкова Е.Г. Оперативно-календарное планирование сборочных технологических процессов радиоэлектронных изделий. / Е.Г. Есюкова, Е.Е. Носкова // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2014. Т.7(7). С. 779-790.
7.Димитров Л.В. Автоматизация в мелкосерийном и единичном производстве. / Л.В. Димитров, В.А. Жмудь // Автоматика и программная инженерия. 2016. 1(15). С. 14-21.
8.Латыев С.М. Унификация оптических и механических конструкций линзовых микрообъективов. / С.М. Латыев, А.Г. Табачков, Д.Н. Фролов // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2011. Т.54(11). С. 14-21.
9.Борисов В.М. Оценка уровня стандартизации и унификации изделий машиностроения. / В.М. Борисов, С.Б. Борисов // Вестник технологического университета. 2016. Т.19(3). С. 93-94.
10. Пышко Е.Ю. Стандартизация деталей для производства. / Е.Ю. Пышко, Ж.В. Кумова // Научное обозрение. Педагогические науки. 2019. 2-3. С. 61-65.
11. Промышленный робот CRP RH18-20 // K2tool.ru. 2023. [Электронный ресурс] URL: https://k2tool.ru/catalog/3578-promyshlennyj-robot-crp-rh18-20 (дата обращения: 25.09.23).
12. CKD параллельные захваты серии HEP // Bibus.ru. 2023. [Электронный ресурс] URL: https://www.bibus.ru/produkty/pnevmatika/pnevmaticheskie-zakhvaty-ckd/paraUelnye-zakhvaty-ckd/ckd-serija-hep (дата обращения: 25.09.23).
13. Отений Я.Н., Ольштынский П.В. Выбор и расчет захватных устройств промышленных роботов. Волгоград: ВолгГТУ, 2020. 64 c.
Голодков Юрий Эдуардович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Ёлшин Виктор Владимирович, д-р техн. наук, профессор, [email protected]. Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет,
Ларионова Елена Юрьевна, д-р хим. наук, доцент, [email protected]. Россия, Иркутск, ВосточноСибирский институт МВД России,
Лазарев Марк Сергеевич, аспирант, [email protected]. Россия, Иркутск, Иркутский национальный исследовательский технический университет
FEATURES OF IMPLEMENTING AUTOMATION OF ASSEMBLY PROCESSES IN SMALL-BATCH PRODUCTION
Y.E. Golodkov, V.V. Yolshin, Е.Y. Larionova, M.S. Lazarev
An analysis has been made of the main conditions that influence the effective use of automated assembly ofproducts in small-scale production: low payback at low production volumes, insufficient manufacturability of the design, lack of standard devices for assembly automation, design complexity, instability of dimensions and variety of shapes ofparts of assembled products, level of interchangeability, standardization and unification of parts. It is shown that in order to obtain the greatest effect, efforts should be aimed at automating such elementary processes as feeding, orientation and mating of elements
Key words: automation, small-scale production, process typification.
Golodkov Yuri Eduardovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected]. Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Yolshin Viktor Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Larionova Elena Yurievna, doctor of chemical sciences, docent, [email protected], Russia, Irkutsk, East Siberian Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia,
Lazarev Mark Sergeevich, postgraduate, mark lazarev [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
УДК 62-51
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-23-24
РАСЧЁТ СРЕДСТВАМИ MATLAB ОПТИМАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Н.Н. Макаров, Е.В. Плыкина, С.А. Руднев
Рассмотрена методика формирования оптимального по быстродействию закона управления следящим электроприводом, основанная на методе сечений поверхности переключений, сочетающая высокую точность и низкую параметрическую чувствительность. Приведен скрипт, осуществляющий расчет сечений. Рассмотрена оптимизация шага сечения и реализация закона управления. Результаты моделирования демонстрируют высокое качество управления и перспективность применения закона управления для следящих систем схожих структур.
Ключевые слова: следящий привод, скользящий режим, оптимальное управление.
Введение. Рассматривается формирование закона управления следящим электроприводом методами теории оптимального управления [1]. Оптимальный по быстродействию закон управления не только обеспечивает максимально быстрое затухание собственных движений (переходного процесса) в системе, но и позволяет обеспечить высокую, в известных пределах идеальную точность слежения за входными сигналами [2].
Оптимальное по быстродействию управление оказывается релейным, то есть управляющее воздействие принимает только два крайних значения из допустимого диапазона. Конкретное значение определяется положением изображающей точки модели системы относительно некоторой гладкой односвязной поверхности, которую принято называть поверхностью переключений. Таким образом, оптимальная система оказывается системой с переменной структурой, и в ней возникает скользящий режим движения. Именно скользящий режим и является основным для процесса слежения.
Известно, что скользящий режим обеспечивает не только высокую точность слежения, но и низкую чувствительность, а при некоторых условиях даже полную инвариантность к параметрам следящей системы [2].
Использование оптимального управления, однако, наталкивается на две трудности: собственно расчёт поверхности переключений и её техническая реализация. Аналитическое выражение для поверхности переключения, даже в том случае, когда его удаётся получить, достаточно сложно и его реализация аналоговыми средствами затруднено. Численное же построение такой поверхности может быть выполнено достаточно просто. Для этого может быть использован метод «попятного движения», предложенный А.А. Фельдбаумом [3].
В настоящее время с развитием информационных технологий данный способ регулирования становится все более распространенным, поскольку он позволяет построить надежные, высокоточные и робастные системы управления. Однако для эффективной реализации закона управления с помощью микроконтроллера очевидно преимущество аналитического задания поверхности скольжения, что является нетривиальной задачей для систем уже третьего порядка.
В настоящей статье рассмотрен один метод аппроксимации поверхности скольжения и приводится программа для расчета ее параметров и коэффициентов средствами современных информационных технологий.
Вычисление поверхности переключений. Решение поставленной задачи можно разбить на два этапа. Первый этап включает в себя решение задачи синтеза оптимального управления, т.е. требуется найти оптимальное управление, которое должно задаваться в виде функции текущих координат системы и входного воздействия. Второй этап связан с реализацией оптимального регулятора. В частности, здесь необходимо получить удовлетворительную аппроксимацию поверхности переключения.
Применение метода сечений для аппроксимации поверхности переключений систем третьего порядка позволяет получить представление этой поверхности, достаточно точное и в то же время достаточное простое для реализации, как цифровой, так и аналоговой. Он направлен на использование в системах, не обязательно линейных, третьего порядка. Важно только, чтобы управляющий сигнал входил в уравнения движения линейно.
Пусть динамика системы описывается векторным дифференциальным уравнением.
X = A ■ X + b ■ u, |u| < U, (1)
где x - вектор состояния, u - управление.
Надо сказать, что такую форму имеют модели большинства следящих приводов. Если матрица такой системы имеет только действительные собственные числа, то справедлива теорема о числе переключений [1], согласно которой оптимальное по быстродействию управление релейно и имеет не более двух переключений. Поскольку реально фазовое пространство таких систем ограничено, утверждение упомянутой теоремы можно считать справедливым и при невыполнении условий на собственные числа матрицы. Таким образом, первой задачей оказывается получение поверхности переключений, то есть многообразия фазовых точек, в которых управляющий сигнал меняет знак.
