Технологичность автоматизированного комплекса в системе управления производством проволоки Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 658.512.26 (035)

В.Я. Подвигалкин

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ ПРОВОЛОКИ

Изложены оценки технологичности автоматизированного технологического производства проволоки. Приведены сведения базовых показате-

лей, конструктивно-технологические ограничения, а также данные производительности для организации модульного производственного процесса.

V.J. Podvigalkin ABOUT MANUFACTURABILITY OF ROBOTIC COMPLEX IN CONTROL SYSTEM FOR WIRE PRODUCTION

The robotic complex manufacturability is proposed here. Basic index data, technological limitations, and output data for modular process of production are listed in this article.

Технологичность - степень пригодности конструкции к промышленному выпуску и применению [1]. Достижение высокого уровня технологичности в автоматизации какого-либо производственного процесса в условиях конструктивно-технологических, экономических и других ограничений представляет собой сложную задачу. По этой причине достижение оправданного уровня технологичности автоматизированного технологического комплекса в информационно-технологической системе управления (ИТСУ) производством, например, стальной проволоки [2] является особо актуальным. Систематизация исследованных показателей, обеспечивающих высокую технологичность архитектур конструкций при создании автоматизированных комплексов, представляется не менее актуальной. При создании таких комплексов [3] недостаточно решить только научные и конструкторские задачи. Необходимо создание архитектур конструктивно-технологических и информационных систем высокого уровня технологичности.

Показатели технологичности автоматизированного комплекса в ИТСУ производством проволоки исследовались в рамках проекта: Автоматизированный технологический комплекс производства проволоки.

Существуют различные оценки технологичности конструкций объектов техники, например, различают инженерно-расчётные и инженерно-визуальные методы. В зависимости от использования методов оценки выбирают количественную и качественную оценки технологичности конструкций.

Цель работы - определение свода показателей технологичности автоматизированного комплекса в системе управления производством проволоки.

В данной работе учтены перспективные объёмы производства, масштаб применения объектов техники, технико-технологического оснащения, его качество; сложность и новизна, характер производства, в котором предстоит эксплуатация разработанного оборудования. По результатам прогноза выявлены изменения значений показателей технологичности автоматизированного технологического производства проволоки. Показатели технологичности автоматизированного комплекса технологии производства проволоки сведены в табл. 1.

Функциональная интеграция в автоматизированном технологическом комплексе

сталепроволочного производства

Функциональная интеграция технологических операций и групп в автоматизированных технологических производственных процессах вообще, а в автоматизированных технологических комплексах в частности [4] представляет определенный интерес. Нарастание ритмов производственных технологических процессов - требование времени. В этих условиях необходима интеграция технологических функциональных операций (приёмов) в производственном процессе.

Показатели технологичности автоматизированного технологического производства проволоки Таблица 1

Состав Наименование показателей Расшифровка обозначений

№ п/п Базовые № п/п Входящие

1 2 3 4 5 6

Функцио- нальная база 1. Уровень функциональной интеграции Уи = Л0 / Лм Л0 - суммарное количество дискретных операций, входящих в состав роботизированного технологического комплекса. Лм - количество исполнительных механизмов

1.1 Коэффициент функциональной интеграции Кф = ЫфОЫг Лф0 - суммарное количество функционально-интегрированных технологических операций. Лг - суммарное количество функциональноинтегрированных технологических групп.

1.2 Степень интеграции электронной базы, Си Си - количество радиоэлементов в составе микросборок и микроблоков по ГОСТ17021 -75 и ОСТ4.ГО.070.210

Показа- тели эффек- тивности 2. Уровень механизации ^р+Ъм^Л1 00 tp - суммарное время, затрачиваемое на исполнение ручного труда; - суммарное время, затрачиваемое на исполнение полумеханизиро-ванных работ; ^ - суммарное время, затрачиваемое на выполнение механизированного труда

2.1 Коэффициент конструктивной унификации исполнительных узлов Ку=Лу / Лп Лу - количество исполнительных типовых узлов в технологическом комплексе; Лп - общее количество унифицированных исполнительных технологических групп

3. Степень механизации См=[Рм/(Рр+Рпм+Рм)\'1 00 Рм - среднесуточная занятость на механизированных технологических операциях; Рпм - среднесуточная занятость на полумеханизированных технологических операциях

4. Эффективность использования оборудования основного производства П=1+А (^/АГ1 А, - производительность, кг/мин; А, - масса полного мотка проволоки, 80 кг; ^11+12+...+1п - время простоя оборудования основного производства из-за разных причин

Контроль 5. Коэффициент автоматизации контроля Ка = Л/а / N Ла - контролируемые автоматически неисправности с локализацией от функциональной микросборки до блока в роботизированной технологической системе; Лу- суммарное количество плат, блоков, параметров

Применя- емость 6. Количество модификаций конструкций, Км, ед.

6.1 Количество охвата автоматизацией оборудования Ко=(Оо+До+Ус) ед. Оо - оборудование основного производства; До - дополнительное оборудование (технико-технологическое оснащение); Ус - информационнотехнологическая система управления

6.2 Количество связей робота с оборудованием и оснащением, С

Окончание табл. 1

Конструктивно-технологические ограничения Производительность

№ Значение показателей Средняя эффективность, раз Средняя Рост средней производительности, т/ч Перспектива опережения стран Европы, раз

п/п Конструкция Ограничение Норма Быстродействие плановая производительность, кг/ч

2,4 7 8 9 10 11 12 13 14

1. Жесткая автоматизация с, < б0 60

1.1 Жесткая автоматизация На min размере пути, мм, ± 0,01 30 с

На max размере пути, мм, ± б 20 с

1.2 Цифровая В см3 > 1б с, < 10-6

2. Жесткая автоматизация ЛІ со а р 2,12 3-40 с

2.1 Жесткая автоматизация раз, > 2,12 3-40 с 1,88 742 1,4 1,2

3. Жесткая автоматизация раз, > 1,б 3-40 с

4. Жесткая автоматизация раз, > 4,0б До 5-й скорости работы волочильного оборудования

б. Цифровая с, < 10-6 10-6

Аналоговая Гц/с б0 50

б. Жесткая автоматизация > б

б.1 Цикловая до 2C 17 до 60 с 1,88 742 1,4 1,2

б.2 Цикловая 3 3 10-6 с

На примере доведения (обработки) проволочной продукции до увязанного мотка с помощью подвижного вязального автомата [5] (робота) как раз и представляет интерес функциональная интеграция технологических операций и групп. Робототехника с техникотехнологическим вспомогательным оборудованием, объединённая с ИТСУ производством, рис. 1 - производственный модуль [2, 6], - реализует интеграцию технологических операций, рис. 2. Циклограмма отражает функциональную интеграцию технологических операций и технологических групп во времени автоматизированного комплекса, рис. 2.

Рис. 1. Информационно-технологическая система производства. Схема функциональная общая с элементами электронной базы

Операции

Сигнал от стана

17

Исходное состояние 1 6

робота 16

Выгрузка мотка 15

Поворот мотка 14

Скручивание ветвей 13

Закатывание ветвей 12

Подача проволоки 11

Подача бирки 10

Формовка 9.

Подготовка ячейки стеллажа От стана к стеллажу Исходное состояние стана Уборка ложа

Сброс дозы проволоки 4 _ Выдвижение ложа Подготовка бирки Движение к стану

8

76: 5 -

3-

2-—

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Длительность операций, с

Рис. 2. Циклограмма автоматизированного технологического комплекса

производства проволоки

Циклограмма включает в себя десять функционально-технологических интегрированных (совокупных) групп, которые содержат в себе от двух до четырёх технологических операций. Причём, четыре из десяти функционально-интегрированных групп имеют по одной унифицированной функционально-интегрированной группе, расположенной в роботе, рис. 3, который является ядром всей автоматизированной технологической комплексной системы производства.

Функционально-интегрированные дискретные операции технологического комплекса распределены следующим образом, по группам: 1 - 1,2,8,17; 2 - 1,8,17; 3 - 3,8,17; 4 - 4,8; 5 - 5,6,8; 6 - 7,8,9 (Гр); 7 - 7,8,10; 8 - 7,8,11 (Гр); 9 - 7,8,12 (Гр); 10 - 7,8,13 (Гр). Операции 9, 11, 12, 13 - функционально-интегрированные группы технологических операций робота, совершаемые одновременно от имеющихся в них по одному исполнительному механизму. Исполнительные механизмы в этих технологических группах имеют унифицированные нестандартные узлы, рис.3: 10, 11, 13, 22, 24. Операции 9, группы 6, рис. 1, соответствуют позиции 13 и 22, рис. 3; 11, гр. 8, рис. 1 - поз. 11, 12, рис. 3; 12, гр. 9, рис. 1 - поз. 8, 9, рис. 3; 13, гр. 10, рис. 1 - 14, рис. 3.

Все функционально-интегрированные группы действуют в реальном масштабе времени: от единиц секунд до десятков секунд, рис. 4.

В целом, каждый технологический цикл совершается в пределах 60 с. Длительность цикла находится в зависимости от количества обслуживаемых роботом волочильных станов в роботизированном технологическом модульном комплексе производства проволоки.

Основным базовым показателем, характеризующим качество роботизированного технологического производства, можно представить уровень функциональной технологической интеграции по аналогии с ГОСТ 17021 и 0СТ4.Г0.070.210.

Уи = N / ^ , (1)

где N0 - суммарное количество дискретных технологических операций, входящих в состав автоматизированного технологического комплекса, а Nм - суммарное количество исполни-

тельных механизмов. В нашем случае N^25 и N^=17, а Гм=1,47, что является неплохим показателем для подобных изделий, которыми являются электромеханические устройства, приводящие в движение производственный комплекс.

Рис. 3. Кинематическая схема подвижного автоматического устройства:

1 - тележка; 2 - электропривод; 3 - путепровод; 4 - выдвигающийся стол; 5 -направляющие; 6 - винтовая пара; 7 - электродвигатель; 8 - механизм формования и уплотнения;

9 - гидропривод; 10 - механизмы подачи вязальной проволоки; 11 - шпули;

12 - электропривод; 13 - механизмы скручивания ветвей вязальной проволоки;

14 - электродвигатель; 15 - магазин бирок; 16 - механизм поворота мотка;

17 - электродвигатель; 18 - механизм отгрузки мотка; 19 - электродвигатель;

20 - блок автономного управления; 21 - моток проволоки; 22 - клещи;

23 - связи кинематические; 24 - вязальная проволока

о

й

а

с

о

о

о

X

Л

ч

£

40-|

35

30-|

25

20

15

10

5-1

0

■ Операции робота

■ Операции хобота - дозатора

■ Операция стеллажа мотков

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Н о м е р о п е р а ц и и

Рис. 4. Гистограмма распределения длительности операций

Влияние показателя уровня функциональной интеграции Yu, табл. 1, на конструктивнотехнологические параметры автоматизированного технологического комплекса показывает, что он является базовым ориентиром при решении задачи комплексной автоматизации технологических процессов и определения их эффективности. В автоматизированном технологическом комплексе применена конструкция жёсткой автоматизации, действующая циклически.

Немаловажной характеристикой функциональной интеграции роботизированного технологического модульного комплекса является коэффициент функциональной интеграции

Кфи = N4,? / N , (2)

где N4? - суммарное количество функционально-технологических групп, где отдельные функционально-технологические операции совершаются одновременно и при помощи одного исполнительного устройства; N - суммарное количество функциональнотехнологических групп. В данном случае N4= и Ny=4, а Кфи=2,25.

Другой немаловажной характеристикой, дополняющей характеристику функциональной базы, служит степень интеграции радиоэлектронной базы, Си. Эта характеристика не обособлена, а существенно улучшает свойства технологичности роботизированного комплекса. Cu - это количество элементов в составе микросборок, микроблоков и блоков по ГОСТ 17021-75 и ОСТ4.ГО.070.210 в цифровом исполнении.

Уровень функциональной интеграции, коэффициент функциональной интеграции, степень интеграции электронной базы достигаются в условиях конструктивнотехнологических ограничений. В колонке 7, табл.1, определена архитектура конструкции; в 8-й - граничные условия; в 9-й - ориентировочная норма граничных условий; в 10-й - фактическое быстродействие созданной конструкции.

Необходимо заметить, что норма длительности в 60 с определена из модуля производства, в котором получают проволоку 01,0 мм в комплексе из 14 волочильных станов. В условиях этих ограничений и определялась производительность, колонки: 11, 12, 13, 14, роботизированного технологического комплекса производства проволоки одним модулем.

Среди показателей технологичности одно из важных мест занимают показатели эффективности роботизированного технологического производства, на которых далее и остановимся.

Показатели эффективности технологичности модульного производства проволоки

Задача достижения максимальной эффективности модульного роботизированного производства заключалась в осуществлении перехода от дискретного процесса производства проволоки к непрерывному. Иными словами, среднесуточную занятость на ручных операциях необходимо снизить до минимума, Рр—0. В свою очередь время простоя волочильного стана из-за раннего окончания рабочей смены гга_х—>0 (снизить до нуля); фактор простоя из-за увязки мотка также максимально снизить, ^—0. Здесь фактор г'п=г'п1+г'п2+гп3+гп4, где г'пх - фактор отрезки рыхлых витков готовой проволоки; г'п2 - фактор обжатия рыхлых витков проволоки; iп3 - фактор увязки поочерёдно в 3 точках (позициях); г'п4 - фактор усталости работающего волочильщика. Фактор усталости рабочего г'п4 порождает общий фактор простоя из-за увязки мотка ^.

Практические расчёты Yмт, Cм, П [7, 8], до использования робототехники, с учётом перекрытия временных значений в процессе рабочей смены, получим, используя соотношения, табл. 1: Yмm=38,35; См=33,3. Что касается коэффициента П использования волочильных станов, то принято, что А г=А1=А2=...=Ап=80 кг/мин; г‘х=10 мин/сут - обрывы проволоки; г*2=90 мин/сут - стыковка катанки; г'3=180 мин/сут - прекращение работ раньше срока по инициативе рабочего; г'4=150 мин/сут - съём, увязка и транспортирование мотка (г'3=г'п-ь i4=in). Проведя несложные вычисления, получили П—16.

С использованием робототехники Yмm=81,25, См=50 и п=65. Сравнив Yмm, См, П до и после использования робототехники видно, что, например, уровень механизации труда возрастёт; табл. 2; табл. 3.

Контроль работоспособности модульного производства

Следующим составляющим показателем технологичности является коэффициент автоматизации контроля функционирования всех исполнительных устройств, строка 5, табл. 1. Коэффициент автоматизации контроля технологического цикла Ка=2,2. Контрольная информация работоспособности робота, технико-технологического оснащения модуля производства является также немаловажным моментом, за которым следит оператор пульта управления ИТСУ. Оператор, оценивая ту или иную технологическую ситуацию, может корректировать ритмичность функционирования технологического производства. Вся информация у него отображается на центральном пульте управления: 22 контрольные позиции от 10 различных узлов. Быстродействие отображения информации на пульте управления ИТСУ, рис. 1, достаточное, чтобы принимать оперативные решения, используя коммуникационные сети и информацию о ситуации на производстве (продвижении продукции) с компьютера менеджера.

Применяемость автоматизированного технологического производства проволоки

Наконец, базовым показателем технологичности применяемости является количество автоматизированных связей робота с технико-технологическим оснащением.

Количество модификаций конструкций находится в прямой зависимости от возможного конструирования семейства конструкций роботов, а их может быть не менее пяти. Количество модификаций единиц конструкций находится в прямой зависимости от объёма производства, влияющих на производительность труда.

Поскольку базовая конструкция предусматривает возможность модификации, то конструирование базируется на основе синтеза готовых типовых узлов. Другими словами, имеет место преемственность на основе типизации блоков и узлов. Поэтому модификации автоматов в ИТСУ легко могут быть освоены промышленностью.

Все эти характеристики, объединённые в табл. 2, показывают достигнутое качество разработки, целесообразность её использования в промышленности. Практическое использования этих показателей технологичности архитектуры конструкций робота и ИТСУ способствует повышению уровня разработок, ресурса и качества изделия, минимизации исходной трудоёмкости.

Представленные показатели, табл. 3, отражают нормативные значения технологичности разработанного роботизированного технологического комплекса производства стальной проволоки.

Упорядоченность типизацией унифицированных деталей и узлов робота и ИТСУ, с учётом прогноза объёмов производства продукции, совпадение (в основном) значений показателей технологичности, характеризует пригодность разработок к применению в производстве стальной поволоки в чёрной металлургии.

Рассмотренные свойства характерны при оптимизации показателей технологичности в качестве ориентиров удовлетворения требований развития производства и интенсификации производственных процессов. С использованием подвижных автоматических устройств (роботов) в проволочном производстве возникает возможность решать следующие важные задачи:

- повышение производительности труда и максимальной её стабильности при наименьших капитальных затратах;

- более полное использование оборудования, в том числе и круглосуточная работа предприятия;

- повышение общей культуры производства и уровня используемой техники;

- сокращение в перспективе длительности рабочей недели;

- снижение текучести кадров в сталепроволочном производстве;

- резкое сокращение травматизма в производстве.

Таблица 2

Сравнительные характеристики коэффициента использования волочильного стана

Наиме- Тради- Нормы Пер- Эффектив- Средняя Диамет- Номи- Плановая Средняя Вид Рост

нование ционные по Ро- спек- ность эффек- ры про- нальная произво- плановая намот средней

обору- нормы, бонию, тивн. коэффици- тив- волоки, скорость дитель- произво- ки произво-

дования, П Пі нормы ента ность, мм волоче- ность, дитель- дитель-

марка по Ро- использо- Н, раз ния, /ч г/ Ф ность, ности, т/ч

прово- бонию, вания, V, м/мин Ае, кг/ч

локи П2 Н, раз

Стан 0,55 1,38 2,67 1,93 3,0 776

Грюна, 0,49 1,56 3,40 2,18 3,5 420 930 Мотки

4/550 0,43 0,32 1,76 1,99 4.26 5.26 2,42 2,64 4.0 5.0 1085 1240

На экс- 0,39 1,22 1,95 1,6 3,0 585

порт 0,34 0,29 0,26 1,30 1,39 1,5 2,32 2,69 3,13 1,78 1,93 2,08 3.5 4,0 4.5 450 689 780 877 Мотки

Стан 0,47 1,31 2,62 2,0 1,88 3,0 698 742 1,4

Грюна, 0,41 1,45 2,95 2,03 3,5 450 837 Мотки

4/550 0,37 0,27 1,40 1,8 2,72 4,45 1,94 2,47 4.0 5.0 788 1116

На экс- 0,35 1,81 1,76 1,49 3,0 526

порт 0,3 0,26 0,23 1,24 1,32 1,43 2,06 2,36 2,85 1,66 1,78 1,99 3.5 4,0 4.5 450 620 702 790 Мотки

Г2С 0,29 1,38 2,67 1,93 3,6 450 776,5 Мотки

0,23 1,24 2,06 1,66 4,0 620

Таблица 3

Сравнительные характеристики плановых заданий

Страны Наименование Кол- во Единица измере- ния Примечание

Россия Суточный план на 44 волочильных стана Суточный план на 31 стан Суточный план на 13 станов 600 552 48 тонн/сутк т/сут. т/сут. Действующие нормы

Западная Европа Суточный план на 44 волочильных стана Суточный план на 31 стан Суточный план на 13 станов 2198 2046 152 т/сут. т/сут. т/сут. Действующие нормы Для проволоки диаметром 2,0 мм и менее

Разница в отставании 3,7 раза

Россия в перспективе Фактическая производительность в минуту Фактическая производительность в час Производительность за смену Суточная производительность 44 станов Суточная производительность 31 станов Суточная производительность 13 станов 80 4800 33,6 2651 2419 232 кг/мин кг/ч т/смену т/сут, т/сут. т/сут. 1 стана 1 стана Теоретически Теор. За 21 час Теор. За 21 час Теор. За 21 час

Опережение в перспективе в 1,2 раза

Определённый свод оценок способен отражать совершенствование динамики роботизированного технологического модульного производства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Технологичность конструкции изделия: справочник / Под общ. ред. Ю.Д. Амирова. М.: Машиностроение, 1990. 768 с.

2. Подвигалкин В.Я. Информационно-технологическая система управления производством проволоки / В.Я. Подвигалкин // Динамика технологических систем: сб. тр. VII Меж-дунар. конф. Саратов: СГТУ, 2004. С. 304-306.

3. Подвигалкин В.Я. Роботизированная система обработки стальной проволоки / В.Я. Подвигалкин // Динамика технологических систем: Сб. тр. VII Междунар. конф. Саратов: СГТУ. 2004. С. 302-304.

4. Антоненко В.А. Автоматизированный процесс увязки и транспортировки готовой проволоки / В.А. Антоненко, В.Г. Гончаренко, В.Я. Подвигалкин // Сталь. 1980. № 2. С. 140-141.

5. А.с. 721146 СССР, МКИ В 21С 47/06. Устройство для обработки проволоки в мотки после волочения / В.Я. Подвигалкин, В.А. Антоненко. № 2654374/25-27: Заявлено 09.08.78, Опубл. 15.03.80, Бюл. № 10. 317 с.

6. Дракер П. Создание новой теории производства / П. Дракер // 2-й Европейский конгресс по управлению: МЖ Проблемы теории и практики управления. М., 1991. № 1. С. 5-10.

7. Окул Г. Экономика метизного производства / Г. Окул, В. Вайсман. М.: Металлургия, 1976. 345 с.

8. ЯоЬопуі А. Huzogerek kihaszolasi tenyezoi / А. ЯоЬопуі // Оер. 1976. 28. № 9. 356 с.

Подвигалкин Виталий Яковлевич -

главный специалист лаборатории Саратовского отделения ИРЭ РАН