Проблемы, возникающие при создании гибких производственных систем высокого уровня

Гибкое производство — это новая концеп­ция в машиностроении, которая радикально изменяет традиционные, выработанные года­ми подходы к организации производства к конструкторской и технологической подго­товке производства. Главное отличие этой концепции состоит в том, что она позволяет комплексно автоматизировать весь производ­ственный процесс — от идеи создания нового изделия до выпуска готовой продукции путем автоматизации всех основных и вспомогательных процессов, операций и управления на базе современных достижений технологии машиностроения, конструирования оборудова­ния, оснастки и современных ЭВМ. Новизна концепции заключается также в том, что организационной формой производства необяза­тельно является поточное производство. Цен­трализованный непрерывный контроль, на­блюдение за ходом производства, наличие гибкой транспортной и обрабатывающей си­стем позволяют выработать наиболее опти­мальное решение по управлению производством исходя из конкретных задач и фактиче­ского состояния всех элементов ГПС. Каждая из функциональных систем ГПС должна быть совершенной, но настоящий успех возможен только при четкой организации производства, исключающей все бесполезные затраты труда, средств, материалов и других ресурсов.

Гибкое производство нельзя считать един­ственным путем совершенствования машино­строения, но требование комплексного подхо­да является единственным путем решения долгосрочной цели - создания автоматическо­го завода. Создано несколько сотен ГПС, но нет еще примеров автоматизации всех производственных задач. Дело в том, что каждая реализованная ГПС это компромисс между долговременными и текущими задачами и су­ществующими технологическими и техниче­скими возможностями, имеющимися финан­совыми средствами, возможностью обеспече­ния всех создаваемых ГПС самым совре­менным оборудованием, оснасткой, системами управления, и т. д. Важной особенностью ГПС является возможность постепенного наращи­вания и совершенствования любой создавае­мой или уже внедренной ГПС. Таким обра­зом, каждый внедренный ГПМ может стать ячейкой будущей ГПС более высокого уров­ня.

Первое, что должно быть решено при соз­дании ГПС, это какой «гибкостью» должна обладать система. Предварительно необходи­мо пояснить само понятие гибкость, рассмо­треть различные качества гибкости, факторы, от которых она зависит. Качество гибкости производственных систем определяется сле­дующими главными показателями: произво­дительностью, себестоимостью, стабиль­ностью обеспечения качества продукции, эко­номической эффективностью использования всех средств, условиями работы человека. На базе этих главных пяти показателей производ­ства определяются четыре основных, наиболее важных качества гибкости:

универсальность — способность ГПС обра­батывать различные партии деталей по числу и номенклатуре (форме и размерам) во время нормальной работы системы без какой-либо ее модификации;

приспособляемость — способность ГПС по­сле ее отладки быть измененной таким обра­зом, чтобы обрабатывать другое число дета­лей и другие детали посредством введения надлежащих изменений извне или путем само­настраивания;

повторяемость — способность ГПС неодно­кратно возвращаться к выполнению ранее осу­ществленных работ после завершения новой работы;

нечувствительность — способность системы адаптироваться к количественным и каче­ственным отклонениям заготовок, процессов, условий при гарантии выполнения всех пред­писанных ей технических требований, без воз­никновения нарушений в работе и снижения качества продукции.

Факторы, определяющие гибкость, зависят от конкретных условий, целей и задач про­изводства, для которого создается ГПС. Ос­новные факторы, имеющие общее значение:

число возможных вариантов деталей в тех­нологической группе, одновременно обрабаты­ваемой на ГПС;

степень сходства и разнообразия номенкла­туры деталей в технологической группе;

число технологических групп, которые можно обрабатывать на ГПС при мини­мальных, установленных заранее времени переналадки системы и количестве дополни­тельной оснастки и инструмента;

минимальное, заранее установленное время переналадки при переходе на обработку дру­гой технологической группы деталей;

дополнительные оснастка и инструмент, необходимые для обработки новой технологи­ческой группы деталей;

дополнительные капитальные вложения и оборотные средства при переходе на обра­ботку новых технологических групп деталей;

предельный разброс отклонений от устано­вленных техническими условиями значений па­раметров (качество заготовок, инструмента, размер припуска и др.) при гарантированном качестве изготовленных деталей;

возможность адаптации к случайному, практически любому маршруту прохождения деталей от станка к станку и возможность их обработки на разных станках системы;

возможность системы обрабатывать детали на одном станке (за один установ);

возможность ГПС учитывать и приспосо­бляться к случайному смещению производ­ственных заданий в зависимости от сложив­шейся фактической загрузки станков или тре­бований сборки,

возможность выполнения непредвиденных ранее заданий, условий, ситуаций, т. е. полное раскрытие в использование потенциальных возможностей системы,

возможность обеспечения минимальных потерь производительности при различных от­казах разных элементов системы и возмож­ность обеспечения минимального снижения производительности и качества при адаптации системы к внутренним или внешним раздра­жителям (возмущениям),

максимально возможное время работы си­стемы в безлюдном режиме,

продолжительность работы системы на от­каз,

равномерность распределения загрузки станков в системе,

возможность работы системы без останов­ки одних станков во время простоев (отказов) других станков,

соотношение числа самоустраняемых отка­зов и отказов, требующих вмешательства опе­ратора,

время устранения различных отказов и не­поладок;

наличие автоматического устройства кон­троля отказов станков, инструмента, транс­порта и другого оборудования для уменьше­ния их влияния на производительность и каче­ство,

оптимизация универсальности и специали­зации оборудования системы,

усилия и время, необходимые для перехода на выпуск новой, более разнообразной про­дукции

Приведенный перечень факторов, опреде­ляющих гибкость ГПС, не является исчерпы­вающим. Он будет дополняться и в связи с ре­шением различных задач создания ГПС.

Таким образом, можно сформулировать понятие максимальной гибкости как возмож­ность ГПС обрабатывать любые детали, в любой последовательности, в любом требуе­мом количестве при ограниченном участии обслуживающего персонала, как способность ГПС выпускать новые или модернизиро­ванные изделия без дополнительных капитало­вложений, без увеличения оборотных средств, без остановки производства, с малыми затра­тами средств и времени на переналадку техно­логической системы. Это не означает, что все создаваемые ГПС должны удовлетворять пол­ностью всем требованиям гибкости Каждая система должна обладать экономически и тех­нически оправданными и возможными свойствами, но во всех случаях необходимо стре­миться к максимальной экономии трудовых, материальных и других ресурсов и к возмож­ности в будущем усовершенствовать данную ГПС.

Эффективность ГПС, возможность созда­ния ГАП высокого уровня во многом зависят от того, как быстро будут преодолены трудно­сти и проблемы, выявленные при создании этих новых образцов техники.

Одной из главных является проблема обес­печения высокой надежности всех элементов ГПС. Не всякое оборудование, приспособле­ние, режущий инструмент и устройство упра­вления могут быть использованы в ГПС, если надежность их работы недостаточна. Показа­тели надежности процессов обработки приве­дены в табл. 34. Повышения надежности в ГПС достигают созданием более совер­шенных конструкций, резервированием, вне­дрением систем диагностики, контроля и упра­вления элементами ГПС.

Недостатки ГПС связаны главным обра­зом с их высокой стоимостью) требующимися при их внедрении большими капиталовложе­ниями, особенно первоначальными. При этом станкостроители и те, кто использует системы, не могут при принятии решения дать четкое экономическое обоснование применения ГПС, так как имеется много взаимозависимых фак­торов, которые трудно поддаются количественному выражению Задача разработки бо­лее совершенных методик определения эффек­тивности ГПС остается актуальной.

В ГПС необходимо использовать более ка­чественные и точные отливки, поковки, сварные конструкции Постоянство качества заготовок играет важную роль. Большое зна­чение имеет правильный выбор приспособле­ний для закрепления и установки деталей на станках. Приспособления должны позволять быстро устанавливать и закреплять детали, во многих случаях быть многоместными, обеспе­чивать позиционирование заготовок в весьма узких пределах допуска, позволять обрабаты­вать детали как можно полнее с одного установа. Создание таких автоматизированных при­способлений — непростая задача. В некоторых случаях велика стоимость приспособлений, ко­торая часто выше стоимости остального оборудования. Приспособления должны быть универсальными или легко переналаживаемыми. Большое разнообразие, сложность и недо­статочная точность и надежность существую­щих приспособлений затрудняют создание ГПС высокого уровня.

Создатели ГПС должны решить три зада­чи, связанные с применением приспособлений:

осуществить отбор деталей в партии для групповой обработки и выбрать схемы уста­новки деталей в многоместных приспособле­ниях, рассчитать необходимое число приспосо­блений; при этом отбор деталей должен вестись не столько по форме, сколько по та­ким параметрам, как требования по точности обработки, подобию технологических перехо­дов обработки,

выбрать оптимальную схему крепления заготовки в приспособлении, конструкцию установочных элементов; эта задача должна решаться конструктором и технологом одно­временно, иначе может увеличиться число не­обходимых установов и тем самым будет на­рушен главный принцип построения обработ­ки в ГПС — максимальная концентрация пере­ходов обработки при минимальных затратах,

хранить и ремонтировать приспособления так, чтобы затраты времени на поиск приспо­соблений на складе были минимальны, а ре­монт обеспечивал полное восстановление точ­ности приспособлений.

Проблемными остаются вопросы правиль­ного выбора типов и числа режущего инстру­мента, его хранения На первый план высту­пает задача автоматического слежения за состоянием режущего инструмента в процессе обработки и выбора режимов резания.

Большинство работающих в настоящее время ГПС не имеют автоматических систем определения поломок и состояния режущих кромок, что вызывает необходимость введе­ния дополнительных переходов, операций, обеспечивающих заданные шероховатость по­верхности и точность обработки. Это увеличи­вает зависимость работы системы от человека и не позволяет организовать работу с малым участием человека. Решение этой задачи – за­лог эффективности ГПС, причем не столько вследствие экономии от сокращения незапла­нированных смен инструмента, сколько в ре­зультате устранения дорогостоящих кон­трольных операций, машин контроля качества и переделок брака. Дальнейшее развитие стан­ков должно идти в направлении создания средств адаптивного контроля, измерения раз­меров деталей в процессе резания, устройств для автоматической компенсации износа ин­струмента, позволяющих получать точно за­данные размеры. Такие станки обеспечат бес­перебойную работу ГПС в течение 20—24 ч. Не решена полностью также задача обеспече­ния автоматизации смены инструмента. Если из магазинов в шпиндель инструмент подается автоматически, то загрузку инструментов в магазины выполняют вручную. Вручную за­меняют инструмент и при его поломке. Необ­ходимо ликвидировать эту ручную ра­боту.

Весьма сложным и дорогостоящим оказа­лись отвод и уборка стружки. При использо­вании отдельных станков эта проблема не имеет такой остроты, так как стружку убирает оператор. С увеличением коэффициента ис­пользования станков и при их использовании в ГПС количество стружки значительно увели­чивается, и возникает задача ее автоматиче­ского удаления. Кроме того, стружка заби­вается в различные карманы, остается в отверстиях, накапливается в заготовке и на станке и мешает работе режущего инструмен­та. В некоторых случаях удается удалять стружку струей охлаждающей жидкости, про­мывкой деталей в специальных автоматиче­ских моечных машинах. Но и после мойки де­тали не всегда полностью освобождаются от стружки; оставшаяся пыль мешает при кон­троле размеров.

Выбор марки и режима подачи охлаждаю­щей жидкости также требует определенного внимания. Охлаждающая жидкость может «склеивать» стружку или распылять ее в окру­жающую среду, и того и другого следует избегать.

Форма заготовки для ГПС должна быть ближе к форме детали и более точной, чем в традиционном производстве. Примеры класси­фикации металлической стружки и рекоменда­ции по применению оборудования для ее удаления приведены в табл. 35 и 36.

Решение проблемы удаления стружки сле­дует в первую очередь искать в совершенство­вании способов получения заготовки с мини­мальными припусками на обработку. Приве­денные в табл. 37 значения коэффициента использования металла позволяют ориентиро­вочно определить массу стружки, образующейся при обработке разных заготовок, полу­ченных разными способами.

Выбор средств для транспортирования стружки в основном зависит от количества стружки и площади, занимаемой металлорежущим оборудованием.

Стружку, образующуюся на площади 1000-2000 м² в количестве до 300 кг/ч от от­дельно стоящих станков (вне автоматических линий), рекомендуется собирать в специаль­ную тару и безрельсовым транспортом доста­влять на пункт переработки стружки. Для обособленных участков и автоматических линий, расположенных даже на площади 300 — 500 м2, с таким же выходом стружки целесообразно устанавливать линейные конвейеры вдоль тех­нологических линий, а в конце линии — сборные емкости.

На участках площадью 2000 - 3000 м² с вы­ходом стружки 300-600 кг/ч нужно приме­нять отдельные транспортные системы со спе­циальной тарой, установленной в конце си­стемы; заполненную стружкой тару целесо­образно вывозить из цеха безрельсовым транс­портом.

Комплексную систему транспортирования стружки и передачи ее в отделение стружкопереработки рекомендуется применять на пло­щадях более 3000 м² с выходом стружки более 600 кг/ч. Транспортные системы целесообраз­но располагать следующим образом: ли­нейные конвейеры — в каналах, магистральные — в тоннелях.

Проблемой остается снятие заусенцев и закругление острых кромок на деталях. Определена возможность и целесообразность применения промышленных роботов для сня­тия заусенцев и закругления острых кромок на деталях в роботизированных технологических комплексах механической обработки и ГПС. Однако номенклатура и качество выпускаемо­го промышленностью инструмента (щеток) недостаточны и не могут удовлетворять пол­ностью потребности роботизированного про­изводства и ГПС. Наибольший эффект может быть достигнут применением в ГПС нескольких различных методов снятия заусенцев и за­кругления острых кромок. Необходимо разра­батывать новые методы снятия заусенцев и закругления острых, кромок на деталях. Лишь оптимальное сочетание ручных и ав­томатических методов гарантирует полное, ка­чественное и экономически выгодное удаление заусенцев.

Сложность и недостаточная надежность про­граммного управления являются еще одной проблемой, вызывающей простои ГПС. Про­стои по этой причине, например, на ГПС США составляют 15 — 30% (в некоторых слу­чаях до 60%) от суммарного времени про­стоев системы. Опыт показал, что продолжительность простоев из-за сбоя программы не­сколько больше, чем предполагалось при проектировании. Различные электронные устрой­ства не могут быть стыкованы непосредствен­но с ЭВМ. Требуется создать промежуточные устройства. Однако эти недостатки будут уменьшаться по мере совершенствования вы­числительной техники, программного обеспе­чения и другого электронного оборудования. Критическим является уровень интеллектуаль­ности системы. Дальнейшее развитие ЭВМ обеспечит более надежную работу и увеличит надежность всей ГПС.

Внедрение ГПС требует организационных изменений, значительно большего внимания к планированию и соблюдению производ­ственной дисциплины. Например, сокращение заделов и уменьшение времени нахождения де­тали в производстве требуют улучшения про­граммирования производства и контроля за соблюдением графиков работы, иначе простои оборудования увеличатся. Задачи управления, таким образом, усложняются. Для успешной работы ГПС необходимо четко организовать ремонт и обслуживание техники. Все ре­монтные службы необходимо интегрировать в единую службу.

Перечисленные задачи нельзя решить без соответствующей переподготовки кадров. Концепция гибкого производства меняет роль каждого, повышая ответственность при сниже­нии непосредственного участия в том, что фактически делается. Без надлежащей подго­товки кадров трудно понять и дать правильную оценку происходящему. Рабочий пере­стает быть оператором, знающим одну спе­циальность, он становится техником, владею­щим рядом профессий. Если раньше резуль­таты работы конструктора нередко создавали трудности, которые приходилось решать и устранять технологу, то в гибком производстве с самого начала все должно быть пра­вильным и простым. И об этом заботится конструктор-технолог, знающий те трудности, которые появляются в производстве из-за не­удачной, нетехнологичной конструкции.

Управленческий персонал должен владеть основами программирования, но не ради уме­ния программировать, а чтобы понимать спе­циалистов (электронщиков, программистов), чтобы формулировать задачи, уметь оценить работу, сделанную другими специалистами.

Трудности при внедрении и реализации всех возможностей ГПС создаются и на этапе ее проектирования. Концепция гибкого про­изводства затрагивает практически все сто­роны производства, и недооценка планирова­ния недопустима. Недостаточное количество режущего инструмента, недостаточно сплани­рованные участки наладки инструмента вне станка, сборки приспособлений и установки заготовок в приспособления, недостаточное или излишнее число паллет, незапланированное своевременно совершенствование организации обслуживания электронного оборудования, так же как гидравлического и пневматическо­го, — все это влияет на эффективность работы ГПС.

Нельзя сказать, что наибольшим препят­ствием на пути широкого использования ГПС на сегодня являются нерешенные чисто техни­ческие проблемы. Главным является определе­ние путей наиболее экономичного внедрения этой новой техники и организации технологии производства, ведущей к повышению произво­дительности труда и снижению себестоимости продукции. С точки зрения создателей ГПС нет особых трудностей. Эффективность ГПС подтверждается рядом примеров быстрой оку­паемости капитальных затрат (за 2,5 — 3 года).