Проектирование гибких производственных систем

совокупность таких единиц, а также систем обеспечения их функционирования в

автоматическом режиме.
Область применения ГПС - серийное многономенклатурное производство.

Преимущества ГПС:
увеличение производительности труда в процессе изготовления единичной и мелкосерийной продукции благодаря более высокой загрузке оборудования;
сокращение времени производственного цикла и быстрое реагирование на изменение требований заказчиков;
повышение качества продукции за счет устранения ошибок и нарушений технологических режимов;
уменьшение капитальных вложений, площадей и численности обслуживающего персонала прежде всего за счет трехсменного режима работы;
снижение объема незавершенного производства;
повышение эффективности управления за счет исключения человека из производственного процесса.

технологической линии различные детали в различных сочетаниях;
возможность изменения в любой

момент стратегии производства в зависимости от необходимости;
модифицирование обрабатываемых деталей без привлечения дополнительных значительных затрат;
изменение состава технологической линии в зависимости от требований;
повторное использование значительного процента существующих капиталовложений в том случае, если приходится полностью менять тип продукции.
Виды гибкости
Машинная гибкость – легкость перестройки технологических элементов ГПС для производства заданного множества типов деталей.
Маршрутная гибкость – способность продолжать обработку заданного множества типов деталей при отказах отдельных технологических элементов ГАП

гибкость;
производительность;
эффективность

Основные характеристики ГАП

ГПС складывается из технической, организационной и
экономической эффективности

Технологическая

и организационная эффективность ГПС оценивается:
коэффициентом использования инструмента, содержащегося в накопителях и при станочных магазинах;
коэффициентом использования технических средств ГПМ, ГАЛ или ГАУ;
коэффициентами сменности и загрузки оборудования;
показателями надёжности ГПМ, ГАЛ или ГАУ.

Экономическая эффективность применения ГПС в сравнении с
эксплуатируемым оборудованием оценивается:
сокращением затрат на закупку оборудования (экономия основных фондов) в связи с уменьшением его числа, так как в 2…3 раза повышается производительность оборудования и улучшается его использование;
сокращением затрат на строительство производственных площадей под уменьшенное число оборудования;
экономией фонда заработной платы;
уменьшением вложений в оборотные фонды, т.к. уменьшается производственный цикл изготовления продукции, необходимые запасы и т.д.

возможности ГПС рабо-тать в малолюдном/безлюдном режиме. (годовой фонд времени 8760

ч.)
Фактический годовой фонд времени работы ГПС - определяется надежностью ее работы и суммарным объемом простоев всех видов в год.
При расчете производительности ГПС учитывают следующие потери времени:
цикловые потери рабочего времени (замена инструмента в шпинделе, ускоренный подвод и отвод инструмента, координатное перемещение стола и т.д.);
простои по вине инструмента (замена инструмента из-за поломок, из-за затупления, регулировка без замены – при необходимости вмешательства оператора);
простои по вине оборудования (регулировка и ремонт оборудования, отказ системы управления и т.д.);
простои по организационным причинам (отсутствие электроэнергии, вспомогательных материалов и т.д);
простои, связанные с браком (брак предыдущих операций, брак материалов, выявленных во время обработки, брак обработки и т.д.);
простои, связанные с переналадкой (замена оснастки, замена комплекта инструмента).

гибкие производственные системы подразделяются на пять уровней.

Первый уровень — гибкие производственные модули (ГПМ), являющиеся основой гибкого производства. Это ГПС, состоящая из единицы технологического оборудования с ЧПУ, а так же устройство для передачи деталей и установления их на станки, смены и передачи инструментов, транспортно-накопительные и контрольно-измерительные устройства, устройства автономного управления и механизмы стыковки с другими модулями.

система, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой

управления.

— гибкий автоматизированный участок (ГАУ). Это гибкая производственная система, состоящая

из нескольких гибких производственных модулей, объединенных АСУ, функционирующая по технологическому маршруту и предусматривающая возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

система в виде совокупности гибких автоматизированных линий или участков, предназначенная

для изготовления изделий заданной номенклатуры.












Пятый уровень — гибкий автоматизированный завод (ГАЗ). Это гибкая производственная система, представляющая собой совокупность гибких автоматизированных цехов и предназначенная для выпуска готовых изделий. Гибкий автоматизированный завод может иметь в своем составе отдельно функционирующие неавтоматизированные участки и цехи.

(промышленные роботы , манипуляторы, автооператоры) для загрузки и выгрузки станков

складских устройств для укладки, хранения, временного накопления, разгрузки и доставки

предметов труда, технологической оснастки.

участки подготовки инструментов, их транспортирования, накопления, устройства смены и контроля

качества инструмента, обеспечивающие подготовку, хранение, автоматическую установку и замену инструмента;

процессе производства. А также выполняет различные контрольные операции по окончании

обработки, т.е. осуществляет межоперационный и окончательный контроль.
Функции:
контроль размеров и отклонений геометрической формы деталей;
контроль положения заготовки при установке на столах станков;
контроль состояния режущего инструмента;
диагностика функций узлов и агрегатов в ГПС.

система автоматизированного контроля (САК)

средства для сбора отходов временного хранения, удаления и зависит от

степени автоматизации производства и характера отходов. (стружка, СОТС). Устройства действуют в пределах ГПС включая модули и подключаются к общей цеховой системе удаления отходов.

система автоматизированного проектирования (САПР);
автоматизированная система ТПП (АС ТПП);
автоматизированная система управления (АСУ); 

к точности и качеству изготовления, выпуск в единицу времени по

неизменяемым чертежам;

сведения о технологических процессах изготовления изделий: сведения о заготовках (вид, точность), способах обработки, технологических базах, составе технологических переходов, нормативах времени на выполнение переходов.

При подборе станков для ГПС пользуются двумя принципами:
принцип взаимодополняющих

станков;
принцип взаимозаменяющих станков.
Принцип взаимодополняющих станков - их традиционный набор и расположение на участке в технологической последовательности.
Недостаток - низкая технологическая надежность, - выход из строя какого-либо станка, имеющегося в составе ГПС в единственном экземпляре, сразу же уменьшает номенклатуру выпускаемых деталей.
Принцип взаимозаменяющих станков - для обработки поверхностей различных деталей используются станки одной модели (одной группы).
Выход из строя какого-либо станка в этом случае приведет лишь к некоторому снижению производительности ГПС, но не к сужению номенклатуры выпускаемых деталей.
Применение этого принципа является наиболее эффективным, если гибкое производство построено на основе многооперационных станков. При этом все станки можно загрузить только выполнением одних операций, а можно на разных станках выполнять последовательный ряд операций по изготовлению одновременно одной, двух или более деталей разных наименований.

по числу управляемых координат и определение их количества в составе

ГПС по выпуску деталей заданной номенклатуры :

K - число станков по виду оборудования; Сср - средняя станкоемкость, приходящаяся на каждый станок, мин; Tср - средний такт выпуска деталей, мин. n - число типовых деталей; Сi - станкоемкость, приходящаяся на каждый станок по обработке i-го представителя типовых деталей, мин. tопi - оперативное время по выполнению перехода на рассматриваемом станке, мин; р - число всех переходов, выполняемых на рассматриваемом станке по обработке деталей.

tоi - основное время на выполнение перехода, мин; tyi - вспомогательное время на снятие - установку заготовки, мин. Ф0 - годовой фонд времени обору-дования, ч ; tм-вi - машинно-вспомогательное время, связанное с выполнением перехода (быстрый подвод и отвод инструмента, автоматическая смена инстру-мента и т.д.), мин; Kисп - коэффициент использования оборудования по машинному времени; Nгод - годовая программа выпуска деталей, шт.

большего целого числа.
При получении большого значения коэффициента загрузки отдельных

видов станков (Kисп ≥0,9) следует перевести обработку части поверхностей на однотипные станки с меньшей загрузкой (принцип взаимодополняющих станков). Недозагрузка оборудования на 20…25 % позволяет иметь некоторый запас производительности ГПС, который может быть использован для освоения новых деталей.

Производительность перегрузочного робота, входящего в состав ГПМ и загружающего

заготовки на станок

Тпр- время цикла перегрузочного робота, исходя из его технических характерис-тик и варианта установки; φ=0,3 - коэффициент совмещения операций в цикле действия перегрузочного робота; n - число элементарных операций по переме-щению заготовки, на которые может быть поделен общий цикл перегрузки одной заготовки из кассеты на станок; ti - продолжительность i-ой элементарной операции

Количество технологического оборудования, обслуживаемого
одним промышленных роботом

(АТСС) в ГАП предназначена выполнять следующие функции:
хранить в накопителях

большой вместимости (складе) межоперационные заделы деталей и автоматически транспортировать их в заданный адрес по командам от ЭВМ; транспортировать детали от станка к станку, а также на позиции разгрузки и загрузки;
оперативно пополнять накопители небольшой вместимости (приемно-передающие агрегаты, тактовые столы и др.), установленные около каждого станка;
транспортировать обработанные детали на позиции контроля и возвращать их для продолжения дальнейшей обработки или на позиции разгрузки – загрузки.
По конструктивному исполнению склады бывают:
стеллажного типа;
конвейерного типа;
элеваторного типа;
магазинного типа (тактовые столы).
Наиболее часто применяют склады стеллажного типа и конвейерного типа и магазинного типа .

в – одноярусного двухрядного; г – многоярусного двухрядного;
1 – спутник;

2 – заготовка; 3 – ложементы ячейки накопителя; 4 – передающие окна

Склады стеллажного типа

в виде кранов-штабелеров 2 и 3, позиции загрузки 4, разгрузки

5 и контроля 6. Стеллажи АТСС располагаются, как правило, вдоль линии станков ГПС.

накопителя - вместимость, которая определяется исходя из числа спутников, необходимого

для полной загрузки станков во время работы комплекса.
Расчеты параметров АТСС производят исходя из числа среднестати-ческих величин трудоемкости обработки деталей и их месячной программы выпуска на предприятии.
Максимальное число деталеустановок различных наименований (число серий), которые могут быть обработаны на комплексе в течение месяца

Фст - месячный фонд отдачи станка, ч (Фст=305 ч); пст - число станков, входящих в ГПС; toб - средняя трудоемкость обработки одной деталеустановки, мин; N -средняя месячная программа выпуска деталей одного наименования.
Полученное число деталеустановок (число возможных серий) определяет число ячеек в стеллаже. Для обеспечения нормальной работы ГПС необходим запас ячеек в накопителе, ≈10 % от Kmax.
Наиболее рациональной компоновкой стеллажа является многоярусная двухрядная схема

Позиции загрузки, где производится установка заготовки в приспособление-спутник, и

разгрузки, где обработанная деталь снимается с приспособления, могут быть либо разделены, либо совмещены.

Расчет необходимого числа позиций загрузки и разгрузки

t – средняя трудоемкость операций на позиции (только загрузки или разгрузки, если операции разделены, и суммарная, если обе операции выполняются на одной позиции), мин; Kдет – число деталеустановок, проходящих через позицию в течение месяца, шт.; Фпоз – месячный фонд времени работы позиции, ч.; N – средняя месячная программа выпуска деталей одного наименования Kнаим, шт

стороны станков, должен передавать спутник с заготовками со стеллажа на

станок, со станка на станок и со станка на стеллаж.

Фш - фонд работы штабелера, ч; Тобсл - время работы штабелера; Kстел-ст - число перемещений между стеллажом и станками; Kст-ст – число перемещений между станками; tстел-ст - время, затрачиваемое на передачу спутника со стеллажа на станок и обратно, мин; tст-ст - время, затрачиваемое на передачу спутника со станка на станок, мин. t1 - время отработки команды «Подойти и взять спутник», мин; t2 - время отработки команды «Подойти и поставить спутник», мин; tк – время (1,5…10 с) расчета и передачи команды от ЭВМ в устройство ЧПУ штабелера, мин; tпод - время подхода штабелера к заданной точке, мин; tв.с - время (0,15…0,25) работы по выполнению команды «Взять спутник», мин; tп.с - время (0,15…0,25) работы по выполнению команды «Поставить спутник», мин. Lx и Ly - длина пере-мещения штабелера по осям x и y, м; Vx и Vy - скорость перемещения штабелера по осям x и y, м/мин.

Автоматизированная система инструментального обеспечения (АСИО) предназначена выполнять

следующие функции:
подготовка инструмента,
контроля качества,
хранение инструмента,
транспортирование инструмента,
автоматическая замена инструмента.

Автоматическая смена инструмента в условиях ГАП может осуществляться двумя способами:
полная замена магазинов инструментов на станках при переходе с обработки одной детали на другую
замена отдельных инструментов в магазине из центрального склада- накопителя.

Основная расчетная характеристика центрального магазина инструментов - вместимость определяется числом

инструмента, требуемого для обработки заданного числа деталеустановок, и размерами ГПС. Склад инструментов в ГАП располагается над станками.
Суммарное число инструментов, необходимое для обработки всей номенклатуры деталеустановок в течение месяца

K1 - число инструментов для обработки всей номенклатуры деталеустановок, шт.; Kд - число дублеров инструмента для обработки месячной программы деталеуста-новок, шт; Kнаим - число наименований деталеустановок, шт.; tоб - среднее время обработки детали одного наименования, мин; tин - среднее время работы одного инструмента, мин; nд – среднее число дублеров на одну деталеустановку, шт.

Размеры стеллажа инструментов

Lск - длина стелажа; tг - шаг расположения инструментальных гнезд, мм. При расчетах значения tг можно принимать равным: tг = 126 мм.

К подвижным транспортным механизмам склада инструментов относятся

инструментальные подъемные кассеты , служащие для вывода со склада затупившегося инструмента и наполнения его новыми инструментальными наладками из отделения подготовки инструментов.
Расчетной характеристикой кассет является число гнезд под инструмент, который необходимо доставить за один подъем кассеты.

Производительность, которую должна обеспечить кассета (шт./ч),

ПРИМЕР. Для установки 2500 инструментов, необходимых для обработки деталей, и последующей их замены при запуске деталей полумесячными партиями ( m =1,5 ) расчетная производительность кассет составит Kкас=12 шт/час. Среднее время работы инструмента составляет tин =3 мин, время его смены tсм=2,5 мин.
Таким образом, при среднем времени нахождения в комплексе каждого инстру-мента tин =5,5 мин за один час надо сменить Kин=60/5,5=11 инструментов. При периодичности подъема кассеты в один час принимаем число подвижных кассет равным двум по шесть гнезд в каждой кассете

из накопителя в магазин станков и обратно.
Тобсл - суммарное время,

затрачиваемое роботом на обслуживание станков; Фис-ст – месячный фонд времени работы робота, Фис-ст = 305 ч. Kсм – число смен инструмента на одном станке в течение месяца, шт.; tсм – среднее время смены одного инструмента, мин; n – число станков в ГПС, шт. Kин - число инструментов, необходимых для обработки всей номенклатуры деталей, шт.; т – коэффициент, учитывающий партионность деталей; Kд.см - число дополнительных смен инструмента на станках, шт. 2 – коэффициент, учитывающий ввод и вывод одного инструмента; nин- число инструментов, не размещающихся в магазине станка, шт.;
N – месячная программа выпуска деталей, шт.; Kдет – число наименований деталеустановок, обрабатываемых на комплексе, шт.; nд - число деталеустановок, одновременно обрабатываемых на станке, шт.

в станке определяется временем отработки роботом-автооператором четырех кадров:
t1 – время

отработки кадра «Подойти к инструментальному гнезду склада и взять инструмент»; t2 – то же «Подойти к магазину инструментов станка и взять инструмент»; t3 – то же «Поставить инструмент в магазин инструментов станка»; t4 – то же «Подойти к свободному инструментальному гнезду склада и поставить инструмент со станка».
tк - время расчета и передачи кадра из ЭВМ в устройство ЧПУ робота-автооператора, tк = 1,5…10 с; tпод - время на подход к заданному гнезду;
tпод =l/V, l – путь перемещения робота, м; V – скорость перемещения, м/мин.
tв - время на отработку кадра «Взять инструмент»; tв= 0,12…0,25 мин.
tп - время на отработку кадра «Поставить инструмент»; tп= 0,12…0,25 мин.
tпов – время поворота робота на180°, tпов =0,02…0,05 мин .

2 – накопители инструментов; 3, 4 – роботы-автооператоры доставки инструментов,

расположенные соответственно со стороны станков РО-1 и между накопителями РО-2; 5 – подъемная кассета инструментов К1; 6 – станочный комплекс ГПС

суммарное время контроля одной деталеустановки, мин; Kдет.к – число деталеустановок,

проходящих контроль за месяц, шт.; Фпоз –месячный фонд времени работы позиции контроля, ч.; Kдет – число деталеустановок, обрабатываемых на комплексе за месяц, шт.; n – число деталеустановок, через которое деталь выводится на контроль, шт.; n1 – плановое число деталеустановок, через которое деталь выводится на контроль по требованию технолога, шт.; k1 и k2 – поправочные коэффициенты, связанные с выводом деталей на контроль по требованию наладчика соответственно для первой деталеустановки в начале смены (k1) и сразу же после установки нового инструмента (k2); tk1, tk2– соответственно время контроля поверхностей детали после обработки на 1, 2 и т.д. i-м станках комплекса.
Время каждого промежуточного контроля tп = 5 мин, окончательного контроля всех поверхностей детали (после обработки на последнем станке комплекса) tк.ок = 30 мин. Плановый вывод деталей на контроль - через каждые 5…8 деталеустановок, т.е. n1 = 5…8. Величина поправочных коэффициентов k1 = 1,15; k2 = 1,05.

ГПС во многих случаях размещение определяется типом АТСС и АТЗС

с помощью которых регулируются грузопотоки

Основные схемы ГПМ

ГПМ с индивидуальным обслуживанием единицы технологического оборудования при помощи одного ПР

Заготовки перед подачей их роботом в зону обработки предварительно ориентируются и подаются на фиксированную промежуточную позицию, обслуживаемую автоматизированными загрузочно-разгрузочными устройствами типа тактового стола или шагового конвейера-накопителя

(ГАЛ) и участки (ГАУ) с групповым обслуживанием одним или несколькими

ПР.

ГАЛ предполагают обслуживание одним или несколькими ПР группы оборудования в принятой технологической последовательности выполняемых операций.
На ГАУ при обслуживании оборудования одним или несколькими ПР предусмотрена возможность изменения последовательности выполнения технологических операций.
ГАЛ и ГАУ могут включать в себя несколько ГПМ, связанных между собой транспортными средствами и единой автоматизированной системой управления.

расположение оборудование вдоль транспорт-ной трассы

случае, когда при продоль-ном расположении получаются слишком длинные линии.
Расположение

технологического оборудования

с помощью ПР, работающих в цилиндрической системе координат
Расположение технологического оборудования