ШСНОВЫ

автоматизации

машиностроительного

производства

Под редакцией

члена-корреспондента РАН

Ю. М. Соломенцева

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ

Рекомендовано

Министерством образования

Российской Федерации

в качестве учебника

для студентов машиностроительных

специальностей вузов

"frTV

Ш1

Москва

«Высшая школа» 1999

УДК 621

ББК 34.5

О 75

Авторы: Е.Р. Ковальчук, М.Г. Косое, В.Г. Митрофанов, Ю.М. Соломенцев, Н.М. Султан-Заде, А.Г. Схиртладзе Рецензенты: кафедра «Технология машиностроения» Киевского политехнического университета (зав. кафедрой проф. А.П. Гавриш), канд. техн. наук А.Р. Чеховский Основы автоматизации машиностроительного произО 75 водства: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/Е.Р. Ковальчук, М.Г. Косов, В.Г. Митрофанов и др.; Под ред.

Ю.М. Соломенцева. — 2-е изд., испр. — М.: Высш. шк., 1999. — 312 с.: ил.

ISBN 5-06-003598- Описаны основные принципы, способы и средства автоматизации производства в машиностроении. Прозводственяый процесс рассмотрен как поток материалов и информации. Задачи автоматизации решены как задачи проектирования и обеспечения размерных, временных и информационных связей в автоматическом процессе.

Для студентов машиностроительных специальностей вузов. Может быть использован студентами техникумов и колледжей.

УДК ББК 34. Учебное издание Ковальчук Евгений Ромуальдович, Косов Михаил Георгиевич, Митрофанов Владимир Георгиевич, Соломенцев Юрий Михайлович, Султан-Заде Назим Музаффарович, Схиртладзе Александр Георгиевич

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО

ПРОИЗВОДСТВА

Редактор В.А. Козлов. Художник К.Э. Семенков.

Художественный редактор Ю.Э. Иванова.

ЛР № 010146 от 25.12.96. Изд. № ОТМ-17. Сдано в набор и подп. в печать 16.06. Формат 60x88 V | 6. Бум газетная. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная Объем. 19,11 усл.-печ л., 19,11 уел кр.-отт., 19,13 уч.-изд. л.

Тираж 7000 экз. Заказ № Издательство «Высшая школа», 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д.29/ Отпечатано в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати», 432601, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14.

© Издательство «Машиностроение», ISBN 5-06-003598-0 © Издательство «Высшая школа», Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая школа» и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия издательства запрещается.

Предисловие Технический прогресс в машиностроении во многом определяет развитие всего хозяйства страны. Повышение эффективности машиностроительного производства обеспечивает автомазация. Создание и внедрение в производство новейших конструкций машины, механизмов и приспособлений, отвечающих современным мировым стандартам, возможны при наличии высокопроизводительного автоматизированного и автоматического оборудования.

С внедрением в производство автоматизированных прогрессивных технологических процессов все шире применяются станки с ЧПУ, промышленные роботы (ПР), гибкие производственные системы (ГПС), управляемые от ЭВМ.

Автоматизация развивается в направлении автоматизации производства и автоматизации управления. Автоматизация производства осуществляется путем создания автоматизированных и автоматических систем машин, а автоматизация управления — путем создания автоматизированных и автоматических систем управления на различных уровнях производства.

В машиностроении процесс автоматизации развивается ускоренными темпами и охватывает целые производственные комплексы, участки, цехи и заводы. Автоматизация развивается также одновременно с комплексной механизацией, она часто возникает и развивается на базе комплексно-механизированного производства.

При автоматизации производства следует исходить не только из возможностей существующей технологии, но и из возможностей применения новых высокоэффективных технологических процессов, в основе которых лежат последние достижения современной науки и техники. Прогрессивная технология обеспечивает возможность значительного повышения производительности труда, использования автоматизированных и автоматических систем машин не только в этой отрасли, где эта технология используется, но и в смежных отраслях. Автоматизация производства является также важнейшим составным элементом внедрения новой техники.

В учебнике изложен материал, в котором с единых научных позиций даны основные принципы, способы и средства автоматизации призводства в машиностроении. Производственный процесс рассмотрен как поток материалов и информации. Задачи автоматизации решены как задачи проектирования и обеспечения размерных, временных и информационных связей в автоматизированном и автоматическом производственном процессе.

Архитектоника материала учебника заключается в рассмотрении автоматического производственного процесса в машиностроении, основ проектирования и реализации его размерных, временных и информационных связей, проектирования автоматизированных и автоматических технологических процессов сборки и механической обработки, а также технологического оборудования, служащего для реализации этих процессов.

Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлениям: «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»; «Автоматизация и управление» и специальностям: «Технология машиностроения»; «Металлорежущие станки и инструменты»; «Автоматизация технологических процессов и производств», а также другим техническим специальностям.

Книга может быть полезна для инженерно-технических работников заводов, проектных организаций и институтов, занимающихся вопросами технологического проектирования, автоматизацией и управлением производственными процессами в машиностроении.

Механизацией производственного процесса называют применение энергии неживой природы в производственном процессе или его составных частях, полностью управляемых людьми, и осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства.

Автоматизацией производственного процесса называют применение энергии неживой природы в производственном процессе или его составных частях для их выполнения и управления ими без непосредственного участия людей.

Различают автоматизацию производства трех уровней: частичную, комплексную и полную. Частичная автоматизация ограничивается автоматизацией отдельных операций технологического процесса, например, с использованием станков с автоматическим управлением, в том числе станков с ЧПУ. Комплексная автоматизация — это автоматизация производственных процессов изготовления деталей и сборки с использованием автоматических систем машин: автоматических линий, гибких производственных систем (ГПС). Полная автоматизация — высшая ступень автоматизации, при которой все функции контроля и управления производством выполняются автоматами.

Автомат (от греческого automates — самодействующий) — самостоятельно действующее устройство или совокупность устройств, выполняющих по заданной программе без непосредственного участия человека процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов и информации.

Современное автоматическое технологические оборудование, предназначенное для преобразования формы, размеров и свойств заготовок, также преобразует информацию, (программу обработки, результаты измерения размеров заготовок и т.п.). С повышением уровня автоматизации роль информационных процессов в произволотве все более повышается, чем объясняется возрастающее применение ЭВМ как для проектирования, так и для управления производством.

Последовательность выполняемых автоматом запрограммированных действий называют рабочим циклом. Если для возобновления рабочего цикла требуется вмешательство рабочего, то такое устройство называют полуавтоматом.

Процесс, оборудование или производство, не требующие присутствия человека в течение определенного промежутка времени для выполнения ряда повторяющихся рабочих циклов, называют автоматическим. Если часть процесса выполняется автоматически, а другая часть требует присутствия оператора, то такой процесс называют автоматизированным.

Степень автоматизации производственного процесса определяется необходимой долей участия оператора в управлении этим процессом.

При полной автоматизации присутствия человека в течение определенного периода времени вообще не требуется. Чем больше это время, тем выше степень автоматизации.

Под безлюдным режимом работы понимают такую степень автоматизации, при которой станок, производственный участок, цех или весь завод могут работать автоматически в течение по крайней мере одной производственной смены (8 ч) в отсутствие человека.

Технические преимущества автоматически управляемых производственных систем по сравнению с аналогичными системами с ручным управлением следующие: более высокое быстродействие, позволяющее повышать скорости протекания процессов, а следовательно, и производительность производственного оборудования; более высокое и стабильное качество управления процессами, обеспечивающее высокое качество продукции при более экономном расходовании материалов и энергии; возможность работы автоматов в тяжелых, вредных и опасных для человека условиях; стабильность ритма работы, возможность длительной работы без перерывов вследствие отсутствия утомляемости, свойственной человеку.

Человек, управляющий оборудованием, обладает определенной инерционностью. Время инерционности человека определяется задержкой его реакции от момента появления сигнала до момента окончания ответного воздействия. При управлении промышленным оборудованием время инерционности человека порядка 0,8 — 1 с, а, например, такт выпуска аэрозольного клапана, собираемого на автоматической роторно-конвейерной линии, составляет всего 0,06 с. Так как скорость протекания производственных процессов велика и имеет постоянную тенденцию к увеличению, время запаздывания оператора становится лимитирующим фактором в дальнейшем повышении производительности.

Высокое быстродействие автоматических систем объясняется отсутствием столь большого времени запаздывания, которое свойственно оператору, управляющему процессом.

Автоматы могут работать в тяжелых, вредных и опасных для здоровья человека условиях. При автоматизации производства исключаются или существенно снижаются отрицательные воздействия производственного процесса на человека, поскольку человек заменяется автоматом.

Экономические преимущества, достигаемые при использовании автоматических систем в производстве, являются следствием технических преимуществ. К ним можно отнести: возможность значительного повышения производительности труда; более экономичное использование ресурсов (труда, материалов, энергии); более высокое и стабильное качество продукции; сокращение периода времени от начала проектирования до получения изделия; возможность расширения производства без увеличения трудовых ресурсов.

Повышение производительности труда при автоматизации производства может быть достигнуто следующим образом: во-первых, благодаря более полному использованию календарного времени при круглосуточной автоматической работе оборудования; во-вторых, вследствие повышения скорости протекания процессов, которая не ограничивается возможностями человека; в-третьих, вследствие высвобождения обслуживающего персонала.

Рассмотрим эти факторы подробнее. В течение года автоматическое оборудование может работать 365 дней х 24 ч = 8760 ч без учета простоев на замену режущих инструментов, переналадку и ремонт.

При работе в две смены производительное время оборудования составляет всего лишь 2550 ч, что составляет лишь 30 % от годового *"••***»"»' ' фонда времени (рис. 1.1.). Столько же времени приблизительно занимают праздники и выходные дни.

Остальное время составляют неиспользованная третья смена и потери времени по организационным и техническим причинам. Автоматизация производства может обеспеРис. 1.1. Распределение номинального фонда времени за год чить работу оборудования в течение третьей смены в отсутствие людей, что соответствует безлюдному режиму работы.

Автоматизация производства позволяет более экономично использовать труд, материалы, энергию. Автоматическое планирование и оперативное управление производством обеспечивают оптимальные организационные решения, сокращают запасы незавершенного производства. Автоматическое регулирование процесса предотвращает потери вследствие поломок инструментов и вынужденных простоев оборудования. Автоматизация проектирования и изготовления продукции с использованием ЭВМ позволяет значительно сократить количество бумажных документов: чертежей, схем, графиков, описания и других, необходимых в неавтоматизированном производстве и отнимающие на их составление, хранение, передачу и использование много времени.

В социальном аспекте преимущества автоматизации производства следующие: рост благосостояния членов общества благодаря увеличению производительности труда, увеличению выпуска высококачественной продукции в необходимых для общества количествах при более экономичном использовании труда, материалов, энергии;

высвобождение человека от тяжелой и монотонной физической и умственной работы, работы в опасных и вредных для здоровья условиях; возможность сокращения рабочего времени при соответствующем росте производительности труда; высвобождение времени для всестороннего и гармоничного развития; стимулирование повышения интеллекта человека, занятого в современном автоматизированном производстве; повышение заинтересованности в работе, наиболее полно удовлетворяющей потребности человека в квалифицированном, творческом труде.

Третья смена ночная наиболее тяжела для работы, так как ночью человеку хочется спать. При постоянном нарушении этой врожденной потребности могут возникать различные заболевания. Необходимость работы в третью смену возникает в непрерывных производствах, которые невозможно останавливать, например в металлургии. Работа в три смены всегда экономически более выгодна благодаря более эффективному использованию оборудования. С повышением сложности и стоимости оборудования, сокращением периода его морального изнашивания организация работы в третью смену может быть единственно приемлемым с экономической точки зрения решением.

Многоцелевые станки должны эксплуатироваться не менее чем в две смены, а ГПС — в три, чтобы окупились затраты. Таким образом, возникает противоречие между стремлением экономично использовать оборудование в круглосуточном производстве и нежелательностью работы людей в ночную смену. Кроме того, не всегда можно организовать многосменную работу из-за недостатка рабочей силы.

Выходом из этого положения может стать организация третьей смены в автоматическом режиме работы.

Автоматическое производство нуждается в более квалифицированном технически грамотном обслуживании. При этом значительно меняется сам характер труда, связанного с наладкой, ремонтом, программированием и организацией работ в автоматизированном производстве. Эта работа требует более глубоких и разносторонних знаний, более разнообразна и интересна.

От уровня развития машиностроения зависит,прогресс всех отраслей промышленности. Поэтому повышению эффективности машиностроения и уровня автоматизации машиностроения должна отводиться приоритетная роль.

Производственный процесс можно характеризовать большим количеством технико-экономических характеристик. В числе самых важных характеристик можно выделить: вид и количество производимой продукции, качество, производительность, гибкость, степень автоматизации, эффективность производственного процесса.

Вид продукции характеризуется ее назначением, конструкцией, техническими характеристиками, показателями качества. Количество выпускаемой продукции определяется объемом ее выпуска в год и серией — количеством изделий, выпускаемых по неизменным чертежам. Выпуск продукции заданного качества в требуемом количестве является основной целью производственного предприятия. В машиностроении качество производственного процесса характеризуется обеспечиваемой точностью размеров изделий, получаемых в результате обработки и сборки, точностью расположения поверхностей, шероховатостью, точностью обеспечения требуемых свойств материалов, из которых изготовлено изделие.

Производительность производственного процесса определяется числом изделий, выпускаемых в единицу времени или в течение определенного периода времени при условии полной загрузки оборудования. В поточном производстве производительность П измеряется величиной, обратной такту выпуска изделий т:

Я-1/t.

Производительность производственного процесса должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить плановый объем выпуска продукции.

Степень автоматизации производственных процессов оценивается отношением времени автоматической работы к рассматриваемому периоду, времени. В зависимости от того, какой промежуток времени рассматривается, различают цикловую, рабочую и эксплуатационную степени автоматизации.

Цикловая степень автоматизации — отношение времени автоматической работы ta в течение цикла к полному времени цикла гц:

Рабочая степень автоматизации — отношение доли штучного времени автоматической работы ко всему штучному времени:

Эксплуатационная степень автоматизации — отношение суммы времен автоматической работы в течение расчетного периода времени (смена, месяц, квартал, год) к расчетному периоду времени эксплуатации 1Э:

Степень автоматизации — безразмерный показатель, позволяющий количественно оценить уровень автоматизации отдельной машины, системы машин или производственного процесса.

Гибкость производственного процесса или оборудования — это их способность к переналадке, адаптации к изменяющимся требованиям или условиям производства (например, к смене объекта производства). Гибкость производства отражает возможность быстрого внесения коррекций в производственный процесс, например, в связи с изменением конструкции изделия, каких-либо отдельных требований, сроков изготовления, материала или его свойств, а также в связи с поломкой оборудования или системы управления. Гибкость может быть выражена произведением коэффициентов гибкости по отношению ко всем указанным и другим изменяющимся условиям. Каждый коэффициент отражает в этом случае какую-либо одну сторону гибкости (например, гибкость программирования, гибкость переналадки станка и т.п.). Гибкость как многофакторное свойство может быть выражена набором характеристик, например упоминавшимися коэффициентами. Одним из способов комплексной оценки гибкости является способ экономической оценки по формуле где Я — затраты на переналадку станка или системы машин, руб;

А — амортизационные отчисления, руб.

Если Я = 0, то У" = 100 %, т.е. идеально гибкое производство не требует затрат на переналадку. Если затраты на переналадку равны стоимости амортизационных отчислений, т.е. Я = А, то Г = 0. Гибкость производства достигается применением универсального быстропереналаживаемого оборудования. К нему относятся, в частности, многоцелевые станки, промышленные роботы, системы ЧПУ на базе ЭВМ и, конечно, сами ЭВМ, которые являются примером наиболее гибкого и универсального средства автоматизации информационных потоков в производстве.

Эффективность конкретного производственного процесса отражает степень уменьшения затрат на производство изделия относительно некоторого среднего уровня, зависящего от уровня развития производительных сил общества. Повышение эффективности производства достигается минимизацией приведенных затрат. Эффективность производства является результирующим показателем, зависящим и от уровня производительности, гибкости, степени автоматизации производственного процесса.

При заданном виде и количестве производимой продукции минимизация приведенных затрат влечет за собой установление оптимальных, наиболее выгодных показателей гибкости и степени автоматизации, всякое изменение которых снижает эффективность производства.

Следовательно, при проектировании нового производства или реконструкции действующего уровень гибкости и степень автоматизации должны определяться технико-экономическим расчетом, быть по возможности оптимальными исходя из критерия минимума приведенных затрат.

Таким образом, указанные показатели производственного процесса взаимосвязаны. Определяющими показателями являются вид и количество выпускаемой продукции.

Автоматизация массового производства связана в основном с автоматизацией предметных потоков и в меньшей степени с автоматизацией информационных потоков. Нельзя, однако, считать, что массовому производству гибкость вовсе не нужна. В современных условиях все чаще происходит смена изделий производства в связи с развитием научно-технического прогресса, появлением более совершенных машин, когда эксплуатация устаревшей морально, но еще вполне работоспособной техники оказывается экономически менее выгодной. Поэтому выпускать в течение многих (5—10) лет машины одних и тех же конструкций становится не рациональным. С другой стороны, во многих случаях дешевле изготовлять в массовых количествах какие-либо широкоуниверсальные изделия, а затем с малыми затратами приспосабливать их к конкретным условиям работы. При одной и той же конструкции одна машина настраивается на выполнеп ние одной постоянной работы, другая — другой. Такой подход оказывается в ряде случаев более эффективным, чем в случае изготовления различного по конструкции специального оборудования, но в значительно меньших количествах.

Таким образом, гибкость оборудования может быть использована не только на этапе эксплуатации, но и на этапе изготовления и наладки. В итоге выбор оборудования определяется экономическим расчетом, и если новое оборудование с повышенной гибкостью стоит не дороже специального оборудования, то следует отдать предпочтение более гибкому оборудованию.

Себестоимость изготовления изделий в массовом производстве всегда меньше, чем в серийном и, тем более, в единичном. Поэтому всегда стремятся ограничить число одинаковых по назначению машин путем их унификации, стандартизации, благодаря блочно-модульной конструкции для того, чтобы, сократив номенклатуру, увеличить объем выпуска остальных изделий. Однако с развитием техники появляются новые виды машин и поэтому доля серийного производства сохраняется в обшем объеме на уровне 60 %, что заставляет искать пути автоматизации и часто переналаживаемого гибкого производства, В гибком серийном производстве изготовляют различные детали, каждая из которых требует своего технологического процесса (маршрут, режим и т.п.). Оборудование должно периодически переналаживаться, для чего необходима каждый раз новая технологическая информация. Маршрут может выбираться непосредственно в ходе процесса производства с учетом занятости станков, на которых можно осуществлять обработку данной заготовки. Гибкость достигается в этом случае многовариантностью осуществления процесса. Выбор конкретного варианта в конкретных условиях требует наличия соответствующей информации, ее постоянного анализа.

1.3. Размерные, временные и информационные связи Производственный и технологический процессы характеризуются наличием целенаправленных потоков предметов: исходных материалов, заготовок, деталей, сборочных единиц, вспомогательных материалов, режущих инструментов, приспособлений, технологической оснастки, отходов производства. Заготовки перемещаются в соответствии с предписанным технологическим маршрутом, образуя потоки.

Для изготовления деталей необходим инструмент, который должен быть собран, настроен на требуемый размер или измерен и в нужный сталь, чугун Информация Рис. 1.2. Потоки заготовок, изделий и информации в производственном процессе момент доставлен на определенный станок. После выработки инструментом определенного периода стойкости режущий инструмент должен быть снят со станка и отправлен в отделение повторной заточки, где инструмент разбирают, повторно затачивают, снова собирают и отправляют на склад.

В производственном процессе, таким образом, заготовки, изделия, инструменты, приспособления, вспомогательные материалы, отходы производства периодически перемещаются каждый по своему маршруту через технологическое оборудование, транспортные устройства, склады и накопители, через различные производственные участки и отделения (рис. 1.2).

Для организации и управления предметными потоками в производстве необходима различная информация о следующем: наличии необходимых заготовок и материалов, начале и окончании обработки конкретной заготовки на конкретном станке, достигаемой точности размеров, запасе стойкости режущих инструментов и расходовании этих запасов, необходимой последовательности обработки, режимах обработки, траектории движения режущего инструмента и многих других параметрах производственного процесса. Информация может быть представлена в различных видах и отображена на различных носителях. Информация о детали, подлежащей изготовлению, обычно представляется в виде чертежа. Технологическая информация представляется в виде текстовых документов и технологических эскизов.

Чертежи, эскизы, текстовые документы предназначены для рабочих и не могут быть использованы непосредственно в автоматическом производстве. Для станка или робота та же информация должна быть представлена, например, в виде перфоленты с управляющей программой для устройства -ЧПУ.

Помимо разработанной заранее информации необходима еще текущая информация о ходе процесса: получаемых размерах детали, износе инструментов, работоспособности станков, числе заготовок на складе, расположении транспортных тележек на участке в данный момент времени и пр. Текущая информация о состоянии процесса собирается с помощью различных измерительных средств и датчиков.

Не располагая необходимой информацией, невозможно управлять процессом.

В неавтоматизированном производстве многие информационные процессы оказываются скрытыми, неявными, поскольку они осуществляются людьми, которые могут дополнять недостающую информацию благодаря своим знаниям и опыту. Так, например, в серийном производстве технологические процессы изготовления простых деталей подробно не разрабатывают. Квалифицированный рабочий может сам изготовить на станке деталь, пользуясь только чертежом. При автоматизации производства с использованием станка с ЧПУ необходимо не только подробно указать все параметры обработки, включая режимы резания, траекторию перемещения инструментов и т.п., но и представить эту информацию в виде программы, пригодной для ввода в конкретную систему ЧПУ станка.

При автоматизации производства количество необходимой для производственного процесса информации резко возрастает. Особенно это касается ГПС с автоматической переналадкой станков на изготовление требуемого изделия.

Автоматизация производства заключается в автоматизации предметных и информационных потоков. Автоматизация предметных потоков осуществляется с применением автоматических транспортных систем, автоматических складов и накопителей, устройств автоматической загрузки и выгрузки станков, автоматического технологического оборудования: станков, промышленных роботов, сборочных и других машин. Автоматизация информационных потоков осуществляется установкой различных автоматических измерительных средств:

устройств активного контроля размеров и свойств деталей, контактных головок, координатно-измсрительных машин, устройств отсчета перемещений, путевых выключателей и различных других датчиков, необходимых для получения нужной информации. Для автоматической передачи информации используют различные каналы связи:

проводные, светоколонные, оптические, индуктивные, акустические, электромагнитные. Информацию можно передавать и механическим путем на различных носителях: перфолентах, перфокартах, магнитных дисках, штриховых кодовых этикетках и др. Для автоматического преобразования и использования информации применяют ЭВМ, устройства ЧПУ, программируемые контроллеры, различные устройства ввода и вывода информации и другие средства.

При автоматизации действующего производства необходимо: вопервых, выявить, проанализировать потоки предметов и информации, Чертеж Рис. 1.3. Информация, содержащаяся на чертеже детали необходимым образом их изменить или организовать другие потоки;

во-вторых, выбрать из числа имеющихся или спроектировать и изготовить новые средства автоматического обеспечения требуемых потоков; в-третьих, обеспечить функционирование и взаимодействие предметных и информационных потоков в автоматизированном производстве.

Организация предметных и информационных потоков осуществляется в пространстве и во времени. Заготовки, изделия, инструменты и их положение в пространстве характеризуются размерами, которые изменяются с течением времени. Поэтому в производственном процессе необходимо рассматривать по меньшей мере взаимодействия размеров, времени и информации.

Достижения требуемого качества изделий машиностроения (рис. 1.3) связано с преобразованием размеров и свойств материалов, которое осуществляется в пространстве и во времени. Размеры заготовок целенаправленно преобразуют в ходе технологических процессов в размеры изделий, которые должны быть получены в пределах установленных допусков. На каждой операции технологического процесса размеры детали образуются благодаря взаимосвязи размеров режущего инструмента, станка, приспособления. Размеры в изделии между исполнительными поверхностями образуются в результате сборки благодаря взаимодействию размеров составляющих деталей.

Установка заготовок, инструментов, других перемещаемых объектов должна осуществляться в определенном месте производственного участка с требуемой точностью для достижения необходимого результата. Все эти процессы описываются размерными связями, под которыми понимают взаимообусловленность, взаимозависимость отдельных размеров, характеризующихся номинальными значениями и допустимыми отклонениями.

Каждый процесс протекает во времени и характеризуется длительностью. Начало следующей операции обусловлено окончанием предыдущей. Для выполнения задания к требуемому сроку осуществляются планирование и согласование многих процессов во времени. Определение необходимого числа станков, инструментов, транспортных средств требует расчетов затрат времени и фондов времени.

Для осуществления производственного процесса в автоматическом режиме необходимо соединить размерные, временные и информационные связи в единую систему и реализовать их с помощью аппаратных и программных средств.

1 Благодаря каким факторам в результате автоматизации производства повышается производительность труда 2 Вследствие чего обеспечивается более высокое качество продукции в автоматизированном производстве, чем в неавтоматизированном 3 Каким образом в результате автоматизации производства более экономично используются ресурсы 4 Как влияет серийность производства на выбор характеристик автоматического оборудования 5 Каковы тенденции развития серийного и массового производства 6 Каковы маршруты движения основных материалов, инструментов, приспособлений в производственных процессах Глава 2. Основы проектирования автоматических производственных процессов Качество изделий машиностроения определяется совокупностью свойств материалов, размерных и силовых параметров. Эта совокупность определяется в процессе проектирования машины и реализуется процессом ее изготовления.

Размерные параметры качества изделия описывают требуемое по служебному назначению изделия относительное положение и движение его исполнительных поверхностей. Требуемое относительное положение может характеризоваться тремя расстояниями и тремя поворотами в относительном положении координатных систем, построенных на ее исполнительных поверхностях. Требуемое относительное движение характеризуется параметрами траектории и допустимыми отклонениями действительной траектории от расчетной.

На рис. 2.1 показан внешний вид редуктора привода конвейера.

Для выполнения редуктором своего служебного назначения, заключающегося, в том числе, в передаче крутящего момента с выходного вала редуктора на приводной вал конвейера, необходимо обеспечить соосность указанных валов при сборке. Поверхность выходного вала редуктора является одной из его внешних исполнительных поверхностей (.ИП). Для обеспечения соосности валов необходимо обеспечить при изготовлении редуктора определенное расстояние -Ад и паралРис. 2.1. Требования к положению и движению выходного вала редуктора лельность /?д оси вращения его выходного вала плоскости основания.

Эти требования относятся к относительному расположению ИП в данном случае вала и плоскости основания — основной базы редуктора. Требуемая точность движения выходного вала редуктора описывается допустимыми радиальным 2д и осевым биениями вала при вращении. Указанные требования к координатам положения выходного вала редуктора относительно основных баз, а также к точности вращения вала определяют возможность стыковки выходного вала редуктора с приводным валом конвейера.

Помимо внешних у редуктора есть и внутренние исполнительные поверхности, например поверхности зубьев шестерен, с помощью которых крутящий момент передается, увеличиваясь от входного вала к выходному валу при соответствующем уменьшении частоты вращения. Поэтому следует также устанавливать требования к точности относительного расположения и движения взаимодействующих поверхностей зубьев каждой пары шестерен. Первое характеризуется допусками межосевого расстояния и параллельности осей делительных цилиндров, второе — допусками радиального биения. Кроме размерных параметров, характеризующих положение и движение исполнительных поверхностей редуктора, к нему предъявляются требования, выражающиеся допустимыми силами и моментами сил, которые характеризуют, в частности, плавность и легкость движения исполнительных поверхностей. Например, могут предъявляться требования к легкости и плавности вращения валов, которые можно характеризовать соответственно крутящим моментом холостого хода Мх и колебанием крутящего момента ДМ за один оборот при холостом ходе.

Размерные и силовые параметры качества изделий определяются при проектировании изделий, исходя из параметров, описывающих их служебное назначение.

Требуемые свойства материалов и часть размерных параметров обеспечиваются процессами изготовления деталей машин. Другая часть размерных параметров и силовые параметры формируются в процессе сборки, при котором осуществляется соединение деталей в сборочные единицы.

Соединение деталей машин может быть подвижным и неподвижным, разъемным и неразъемным. К подвижным соединениям относятся: соединения по ходовой резьбе валов и гаек, подвижные соединения по шлицам, плоским, призматическим и другим направляющим, по цилиндрическим поверхностям с трением скольжения или трением качения. Неподвижные соединения по плоским, цилиндрическим, коническим поверхностям могут быть с натягом (прессовые соединения), с закреплением другими деталями, например заклепками, 2, f. Параметры качества подвижных и неподвижных соединений деталей машин, достигаемые в результате cfopxu Параметры Следует иметь в виду, что при установке валика во втулку с использованием фасок необходимо позволить деталям смещаться в радиальном направлении. Это достигается нежестким, упругим подвесом одной из соединяемых деталей.

Исходя из формулы (2.6) и (2.7) и принимая во внимание, что ширина радиальных зазоров для многих соединений с зазором в машинах составляет сотые и тысячные доли миллиметра, станет очевидным, что на деталях необходимо делать заходные фаски. При наличии фасок допуск относительного положения деталей может быть значительно большим, чем без фасок. Чем больше допуск отклонения от соосности деталей перед сборкой, тем легче его обеспечить при автоматической сборке.

Помимо смещения возможно и отклонение от параллельности осей деталей (см. рис. 2.23, в), которое может быть определено по формуле где z — заглубление.

Формулы (2.7) и (2.8) справедливы для соединений с зазором. Для соединений с натягом используют следующие формулы:

Y=arcsmCmax/2 известны только ожидаемые поля рассеяния, которые могут быть получены при проведении операций на данных станках.

Поля рассеяния для конкретных операций могут быть взяты из справочных таблиц, установлены экспериментально или могут быть рассчитаны как замыкающие звенья операционных размерных цепей.

Итак, в начале расчета известны допуски указанных размеров. Номинальные значения и отклонения получают в результате расчета.

4. Припуски на обработку [Z\ ], [Z2 ], [Z3 ]. Для припусков к началу расчета размерных цепей известны лишь их минимальные значения Z l m m , Z2mm, Z3mm, которые должны быть подсчитаны по формуле где Rz — высота шероховатости поверхности заготовки; D — глубина дефектного слоя заготовки.

Значения параметра шероховатости поверхностей после каждого вида обработки могут быть взяты из справочников. Максимальные значения припусков рассчитывают в результате решения уравнений размерных цепей.

Аналогичным образом строят размерные схемы по другим координатным направлениям; в данном случае нужна еще схема диаметральных размеров, а также схема отклонений расположения поверхностей (от параллельности, от перпендикулярности).

В результате расчета размерных цепей определяют припуски, операционные размеры и размеры заготовки. Целью расчета является проверка возможности получения требуемых размеров детали в проектируемом технологическом процессе. В результате расчета определяются запасы или допуски размеров детали или выявляется невозможность обеспечения того или иного размера детали. В последнем случае проектируемый технологический процесс нуждается в изменении. Такими изменениями могут быть: введение дополнительных проходов, введение дополнительных операций, изменение технологических баз на операциях, выбор другого метода получения заготовки и ряд других мероприятий.

Без проведения размерного анализа нового технологического процесса невозможно гарантировать получение детали требуемого качества. На тех заводах, где такие размерные анализы не проводятся, затрачивается много времени на внедрение новых технологических процессов, на их отладку, что существенно снижает экономическую эффективность производства.

В автоматизированном производстве отладка новых технологических процессов обработки вновь поступающих заготовок, особенно в ГПС, должна осуществляться автоматически, поэтому без такого расчета там обойтись невозможно. В противном случае наладку ГПС для изготовления новой детали осуществляют используя ручной труд высококвалифицированных наладчиков. Таким образом, размерный анализ целесообразен при любой степени автоматизации производства, но особенно необходим в автоматическом производстве.

Операционные и межоперационные технологические размерные цепи связаны между собой операционными размерами. Операционные размеры образуются как замыкающие звенья операционных размерных цепей различного вида, возможные структуры которых рассмотрены выше (см. табл. 2.1). В межоперационных размерных цепях операционные размеры 1 — 6-го видов (см. табл. 2.2) являются составляющими звеньями.

При технологической подготовке производства осуществлять аналитически расчет поля рассеяния операционного размера по составляющим звеньям за рядом исключений нецелесообразно, поскольку для каждой действующей технологической системы не составляет труда определить поле рассеяния операционных размеров из опыта эксплуатации.

В результате расчета межоперационных размерных цепей могут быть два варианта.

1. Все размеры детали обеспечиваются. Ряд операционных размеров имеют запасы по допускам. В этом случае в зависимости от типа операционного размера и запаса по допуску можно расширить допуски на некоторые наиболее критичные составляющие звенья. Например, можно увеличить допуск настроечных размеров некоторых инструментов при настройке их вне станка.

2. Некоторые размеры детали не обеспечиваются в заданных допусках. В этом случае необходимо внести изменения в проектируемый процесс и, следовательно, в его размерные связи.

В проектируемый процесс можно внести изменения следующими способами.

1. Повысить точность операционных размеров следующим образом:

а) повышением точности составляющих звеньев соответствующих операционных размерных цепей, например, повышением точности настройки режущих инструментов вне станка, увеличением частоты и качества очистки базовых поверхностей и т.д.; б) компенсацией погрешностей настройки, установки и размерного износа режущих инструментов, например, использованием контактных головок или (если это было предусмотрено) повышением частоты измерений, например, перед каждым рабочим ходом на токарном станке; в) применением адаптивного управления для сокращения погрешности размера динамической настройки или ее компенсации при получении операционного размера;

2. Изменить вид операционного размера, например, заменой чистового точения отверстия развертыванием или использованием активного контроля размеров.

3. Ввести дополнительный рабочий ход или дополнительную операцию.

4. Изменить схему базирования заготовки.

5. Повысить точность размеров заготовки.

Помимо указанных, могут использоваться и другие способы, так, например, к п. 1а могут относиться и изменение способа установки заготовки на спутник и способа повышения точности при использовании спутников, а также стабилизация или компенсация тепловых деформаций технологической системы и ряд других мер.

С использованием размерного анализа представляется возможность рассчитать требуемую частоту компенсации размерного износа режущего инструмента, обосновать применение автоматической очистки конуса шпинделя оправкой с замшевыми прокладками, использование контактной головки в конкретном случае. Таким образом, размерный анализ технологического процесса в автоматизированном производстве позволяет обосновать применение необходимых средств повышения точности при автоматическом получении размера, а также определить требования к точности и режим использования этих средств, например определить требуемую точность компенсации размерного износа, диапазон компенсации, частоту измерения (перед каждым рабочим ходом или после обработку определенного числа заготовок" в партии) и т.д. Таким образом, размерный анализ технологического процесса позволяет обосновать требования к средствам автоматизации для обеспечения требуемых размеров изделия.

2.11. Размерные связи при изготовлении деталей Обеспечение точности размеров при установке заготовок на спутниках. Применение спутников для изготовления деталей, особенно в ГПС, характеризующихся частой сменой объектов производства, позволяет решить многие задачи автоматизации изготовления деталей, в том числе: транспортирования заготовок и изделий, автоматизации загрузки и выгрузки станков, повышения эффективности процесса путем сокращения числа переустановок заготовки в технологическом процессе и связанных с этим потерь времени, повышения точности обработки за счет сокращения количества переустановок заготовки. Наличие спутников обеспечивает эффективную работу как отдельных многоцелевых станков (рис. 2.52), так и станков в составе ГПМ (гибких производственных модулей) и ГПС. Поэтому число изготовляемых многоцелевых станков со сменными спутниками постоянно увеличивается.

Использование спутников (рис. 2.53) в ГПС дало возможность устанавливать на одинаковые спутники различные заготовки и решить проблему автоматического транспортирования различных Рис. 2.52. Многоцелевой станок:

1 — инструментальный магазин; 2 — двухзахватный манипулятор УАСИ; 3 — поворотный стол; 4 — сменные спутники; 5 — УЧПУ Рис. 2,53. Спутники на многоцелевых станках:

а — с Т-образными пазами; б — с отверстиями; в — схема смены спутников с помощью поворотного накопителя; г — го же, линейного накопителя, д — циклограммы обработки заготовок без спутников и на спутниках; Л — спутник в рабочей позиции; R — спутник в накопителе, f V C T — время усшювки заготовки; /„g — время обработки заготовки на станке; tcll — время на снятие заготовки, ки гидроцилиндров 4, преодолевая сопротивление тарельчатых пружин, перемещаются внутрь гидроцилиндров, освобождая заготовку 1. После снятия обработанной заготовки и установки на ее место новой давление в гидроцилиндре 8 снижается и тарельчатые пружины 5 з&крепляют заготовку.

На рис. 2.61 показана принципиальная схема закрепления заготовки с помощью гидравлических прихватов. Давление масла на спутнике создается гидроцилиндром 1, поршень 2 которого перемещается при вращении ходового винта 3, на котором он установлен. Под действием давления масла штоки 4 гидроцилиндров 5 прижимают заготовку 6 к установочным элементам 7 спутника 8. Привод винта гидроцилиндра 7, расположенного на спутнике, осуществляется через торцовую муфту 9 с помощью внешнего приводного устройства, входящего в зацепление с муфтой 9 на позиции разгрузки-выгрузки спутника.

Созданное гидроцилиндром / давление масла в гидросистеме спутника будет со временем постепенно снижаться вследствие утечек масла в зазорах, уменьшая силу закрепления заготовки. Для длительного (в течение 24 ч и более) закрепления заготовки на спутнике нужно поддерживать давление масла в гидросистеме, компенсируя утечки. Это обеспечивается в гидросистеме с помощью гидроаккумулятора 10. Поршень гидроаккумулятора подпружинен. При перемещении поршня 2 гидроцилиндра I, создающего давление в гидросистеме спутника, поршень аккумулятора 10 смещается вправо, сжимая пружину. В дальнейшем утечки масла компенсируются благодаря тому, что масло из гидроаккумулятора поступает в гидросистему.

Преимущества гидросистем, закрепляющих заготовки на спутниках, следующие: большая сила закрепления, возможность закрепить заготовку в нескольких местах с одинаковой силой, большая гибкость, способствующая стабильным контактным и собственным деформациям и снижению поля рассеяния размера установки заготовок на спутник, и высокая надежность, исключающая самопроизвольное открепление заготовки или снижение силы закрепления.

Для автоматического закрепления заготовок на спутниках помимо описанных могут использоваться и различные другие принципы, а также механизмы и системы, их реализующие. Возможно, например, приклеивание заготовки на время обработки к спутнику, заливка пластмассой, закрепление магнитом и др.

Автоматически установить заготовку на спутник удается только, если в процессе установки будут обеспечены условия собираемости заготовки со спутником. Для этого необходимо обеспечить определенные установочные размерные связи в системе спутник—робот—-заготовка, в которые входят в том числе координаты позиционирования робота с заготовкой, размеры, определяющие положение спутника во время установки заготовки.

Для автоматического закрепления заготовки на спутнике нужно в момент закрепления обеспечивать соосность шпинделя 5 (см.

рис. 2.59) и гнезда б спутника. В противном случае шпиндель 5 не может взаимодействовать с гнездом б муфты и губки / и 2 не будут автоматически работать. Для соосности гнезда и шпинделя в пределах требуемого допуска нужно, чтобы у всех спутников в данной ГПС гнезда находились на одной и той же высоте от основания спутника.

Допуск на этот размер может быть рассчитан по формулам для расчета размерных цепей.

При ручной установке заготовок на спутники нет необходимости в рассмотрении и расчете размерных связей, но при автоматизации такой расчет необходим.

Для того чтобы установить заготовку на спутник, необходимо выполнить автоматически определенную последовательность действий. Робот должен ввести заготовку в тиски спутника, затем тиски ни спутнике зажимают и после этого разжимают захват робота. Определение последовательности и расчет продолжительности действий требует рассмотрения взаимодействия процессов во времени.

Для осуществления требуемого взаимодействия процессов нужна информация.

Закреплять кулачками заготовку на спутнике нужно только после того, как робот поставит заготовку в кулачки. Команда на включение привода зажима кулачков должна быть подана после получения сигнала о том, что робот поставил заготовку. Сигнал от робота должен быть передан в систему управления, в которой по получении этого сигнала должна включаться команда на включение шпинделя механизма зажима.

Таким образом, автоматизировать установку заготовки на спутник, как и любой другой процесс, можно только, если обеспечить согласование размеров, времени и информации в рассматриваемой системе устройств, реализующих автоматический процесс.

1. Что представляют собой размерные связи автоматического сборочного процесса?

2. В чем заключаются размерные связи процесса автоматического изготовления деталей в машиностроении?

3. Как выбрать способ транспортирования деталей на сборку — в ориентированном или неориентированном положении? Какая информация для этого необходима?

4. Какие факторы влияют на выбор способа ориентирования деталей?

5. Каким образом может повлиять на конструкцию изделия решение собирать изделия автоматически?

6. В каких случаях может потребоваться повышение параметров точности изготовления детали, предназначенной для автоматической сборки по сравнению с параметрами точности, определенными исходя из ее служебного назначения?

Глава 3. Основы проектирования временных связей автоматизированных Основные функции ГПС и ее основного элемента ГПМ следующие:

механическая обработка заготовок; загрузка заготовок и выгрузка деталей с основного и вспомогательного оборудования; подача заготовок и деталей на позиции загрузки-выгрузки; складирование и накопление заготовок и деталей; контроль качества деталей; контроль состояния элементов ГПС; контроль выполнения технологических процессов; управление технологическим процессом, материальными и информационными потоками; обеспечение станочной, контрольной и вспомогательной оснасткой; диспетчирование материальных и информационных потоков; связь с верхними уровнями управления;

удаление отходов.

Несмотря на разнообразие, можно выделить три основные компоновки, характеризующиеся типом применяемого устройства манипулирования (УМ) заготовкой ч его расположением относительно рабочей зоны основного оборудования (рис. 3.1). Первый тип компоновок ГПМ (рис. 3.1, а) строят на базе токарного станка ЧПУ с магазином инструментов и УМ портального типа с расположением портала параллельно оси вращения шпинделя станка. Такая линейная компоновка оправдала себя на практике как наиболее компактная и наиболее доступная для технического обслуживания. В настоящее время приблизительно 70 — 80 % всех ГПМ для токарной обработки строят по такой схеме.

Второй тип компоновок (рис. 3.1, б) характеризуется применением УМ портального типа, работающих в прямоугольной пространственной системе координат. Такая схема характеризуется максимальным удобством с точки зрения размещения периферийного оборудования, обслуживаемого УМ (накопители, позиции контроля и др.), а также меньшими временами обслуживания вследствие меньших перемещений по сравнению с перемещениями при линейной Рис. 3.1. Типовые компоновки ГПМ для токарной обработки:

/ — токарный станок с ЧПУ; 2 — манипулятор; 3 — периферийное оборудование компоновке. К недостаткам такой схемы относятся большая стоимость ГПМ за счет увеличения стоимости УМ и увеличение занимаемых площадей.

Третий тип компоновок (рис. 3.1, в) характеризуется применением напольных или встроенных УМ, расположенных перед рабочей зоной многоцелевого станка (МО.

Укрупненный анализ структур ГПС показывает, что разнообразие их компоновок определяется типом применяемой автоматической транспортно-складской системы (АТСС) и относительным расположением ГПМ и транспортного пути, что определяет схему обслуживания ГПМ и складского хозяйства транспортными средствами. Исходя из этого выделяют три основные компоновки: линейную (рис. 3.2, а), кольцевую (рис. 3.2, б), сетевую (рис. 3.2, в).

Состав оборудования для систем ГПС следующий: 1) система обработки, включающая ГПМ и станки с ЧПУ; 2) транспортная система, включающая: транспортный путь (гибкий или "жесткий путевод), транспортные средства (роботизированные тележки, портальные или подвесные манипуляторы, спутники), позиции и станции перегрузки и ориентации палет и спутников; 3) система складирования, включающая: склады заготовок и деталей, склады технологической оснастки, склады инструмента, промежуточные (буферные) накопители; 4) система контроля, включающая: устройства контроля и контрольно-измерительные машины (КИМ), позиции контроля и подготовки инструмента; 5) система управления, включающая:

центральную ЭВМ (ЭВМ управления ГПС), системное обеспечение управлением, базу данных управляющих программ, программное печение диагностики оборудования и хода технологического процесса; 6) система ликвидации числа и номенклатуры изготовляемых деталей. Понятие производительности, измеряемой в штуках в единицу времени, применимо к одноменклатурному производству.

Потери непроизводительного времени в ГПС и ГПМ составляют 7 — 40 % общего фонда времени работы в одну или две смены. При этом размеры партий менее 40—60 шт. существенно снижают производительность и экономичность ГПМ. Как правило, оптимальное число деталей в партии следующее: для ГПМ — 50 — 500, для ГПС (типа ГАУ) — 500 — 2000. Наиболее экономически оправданными являются партии, соответствующие верхним границам приведенных диапазонов. При нижних границах эффективность ГПС значительно уменьшается вследствие того, что увеличивается доля непроизводительного времени, затрачиваемого на переналадку оборудования, транспортирование заготовок и деталей и другие организационные потери. Наиболее значительны потери времени в мелкосерийном производстве, поскольку они соизмеримы со временем загрузки оборудования. Кроме того, здесь уже не могут использоваться такие методы устранения диспропорций в загрузке оборудования, как задействование дополнительных единиц оборудования и создание межоперационных заделов, что широко применяется в крупносерийном и массовом производстве.

Рассмотрим более детально структуру непроизводительного времени, а именно — время, затрачиваемое на переналадку в ГПМ, и время простоев оборудования. Все время, связанное с переналадкой оборудования, выражается в виде подготовительно-заключительного времени tn 3i на одну деталь в штучно-калькуляционном времени tt = tn 3(-/Л(. + + *Ш|., где Ai — величина партии запуска 1-го наименования. Здесь tn 3i — для станков с ЧПУ и ГПМ определяют по формуле tn 3i = tni + + tQpri + tn oi, где tni — время переналадки станка и технологической оснастки; < • — время получения и сдачи заготовок и технологической оснастки, ознакомление с чертежом; tn Qi — время пробной обработки первой заготовки. Время переналадки tni = tKi + Nmjtmi + + Spitpi, где tKi, tmi, t t — время соответственно переналадки крепежной оснастки, замены одного инструментального блока, расточки кулачков; N^m' ^ы ~ число соответственно заменяемых инструментальных блоков и расточек кулачков (булева переменная).

В ГПМ, имеющем значительное количество периферийного оборудования, каждая подсистема претерпевает изменения при переходе к изготовлению другой детали (рис. 3.3). Изменения эти заключаются в установке требуемых для обработки какой-либо z'-й партии заготовок, инструментов, патронной или центровой оснастки, управляющих программ, захватов ПР, в регулировке упоров и установке диапазонов регулирования параметров элементов. При этом конкретная операция переналадки может содержать в себе такие операции, как поиск, выдачу и транспортирование необходимой оснастки в зону ГПМ.

Сумму времени на всех операциях переналадок в r'-м ГПМ можно представить следующим образом: tni = J^ tni,, где п — число подсистем ГПМ, требующих переналадки; tni, — время переналадки /-го элемента или подсистемы в г'-м ГПМ (инструментальной головки, патронной оснастки и т.п.).

Наличие переналадки означает несоответствие установленной оснастки, параметров и диапазонов регулирования параметров элементов оборудования в ГПМ тому составу оснастки, параметрам и диапазонам регулирования, которые требуются для обработки той или иной партии заготовок. Рост числа и времени переналадок означает снижение гибкости системы. С целью повышения универсальности и гибкости технологических систем большинство современных элементов ГПМ имеют расширенные функциональные возможности.

Тип злемента ГПП или его характеристика -^ Состояние но пвпеит поступ/чния iioSoi) партии зтотоНок Рис. 3.3. Схема изменения состояния ГПМ, его элементов и характеристик при поступлении заготовки нового вида Непроизводительные потери времени в ГПС, обусловленные простоями каждого г-го ГПМ, без учета времени его переналадок, можно представить в следующем виде:

где ta ш — время загрузки партии деталей в ГПМ; t — время организационного обслуживания г-го ГПМ для изготовления партии деталей /-го наименования; tr — время настройки технологической системы 1-го ГПМ; t ^ — время установки заготовок манипулятором на станок; <.. — время обработки заготовки на станке (время отработки УП); t — время контроля заготовки (детали) в ГПМ; t — время съема заготовки (детали) манипулятором со станка; tol — время отдыха оператора на г-м ГПМ; t щ — время разгрузки партии заготовок (деталей) в i-м ГПМ. Индекс "1" означает, что эта величина пересчитывается на одну партию заготовок (деталеоперацию).

На рис. 3.4 приведена циклограмма работы ГПМ по временной структуре (3.2). Из всех составляющих только величины toci, locrt и tni являются в (3.2) переменными величинами и благодаря их сокращению до определенного минимума, как показано в верхней части циклограммы, можно повысить загрузку ГПМ. Все остальные времена в (3.2) не зависят от характера расписания и процесса переналадок, могут быть нормируемы, зависят от технических и конструктивных характеристик элементов ГПМ и не зависят от организации процесса.

Подобное выделение t как переменной величины во временной Рис. 3.4. Циклограмма работы ГПМ структуре ГПМ %щ,- говорит о связности ее с временной структурой расписания ГПС, где trmAi характеризует продолжительность отдельных работ.

Поскольку параметрами любого расписания в являются обслуживающие устройства, отдельные работы, интервал расписания во времени, а также потери времени, то для ГПС можно представить следующую структуру расписания: 6гпс|[тн, т к ]; Ml, n); Ггпш;

'oci> *ос.т/' 'ш}> ^e f T H' T J ~~ интервал времени планирования между началом т н и концом плана — т к ; N — множество ГПМ в ГПС;

— время занятости г-го ГПМ над партией заготовок.

Для раскрытия сущности взаимодействия процессов во времени рассмотрим следующую задачу. Допустим, что на участке с п станками необходимо изготовить а наименований деталей по и штук. При этом будем считать, что е>> где Те — фонд времени станка е за планируемый период Т; уе — загрузка е -го станка.

Если принять, что число ф-х заготовок, обрабатываемых по /-му маршруту, равно х •, то ограничения по фонду времени работы станков и по программе выпуска деталей запишутся в следующем виде:

где bv — программа выпуска для На основе (3.5) можно составить временную диаграмму работы каждого станка в виде последовательной размерной цепи, где замыкающим звеном является время загрузки станка yv (рис. 3.5). Поэтому работу отдельно взятого станка за планируемый период можно рассматривать как замыкающее звено последовательной цепи, которая будет определяться как сумма составляющих звеньев, т.е.

Рассмотрим временные связи для всего участка. Если считать, что отдельные элементы функционально не связаны между собой, то временные связи для всего участка являются параллельными звеньями и замыкающее звено, равное моменту окончания планового задания, будет определяться по следующей формуле:

где *„,• — момент начала работы г'-го элемента участка; у,- — время загрузки i-го элемента участка.

Рис. 3.5. Временная диаграмма работы участка В формуле (3.7) величины tHi (г = 1, 2,..., п) не могут быть определены из математической модели (3.4), так как в этих ограничениях они не представлены. Величины /ш могут быть определены с учетом состояния станков участка на начало реализации производственного процесса в планируемом периоде.

По сравнению с размерными цепями во временных цепях в качестве составляющих звеньев рассматривают длительности отдельных событий. При этом, если события некоторого процесса несовместимы, то длительности этих событий составляют последовательную временную цепь, и замыкающее звено рассчитывается по формуле (3.6).

Если же события некоторого процесса совместимы, то длительности событий составляют параллельную временную цепь и замыкающее звено определяется по формуле (3.7), где величины который заведомо будет меньше, чем коэффициент готовности узла (состоящего из 1, 2 и 3-го участков) в системе rjj 23.

Далее 1, 2 и 3-й участки заменим одним участком с коэффициентом готовности T^i,2 3 и объединим его с 4-м участком. Для полученной Рис. 3.13. CxeMd алгоритма расчета нижней оценки коэффициента готовности АЛ двухучастковой АЛ вычислим коэффициент готовности rjj 2 з 4 * который будет меньше, чем коэффициент готовности этого узла в составе АЛ. Если этот процесс продолжить до последнего участка, то в итоге получим нижнюю оценку коэффициента готовности всей АЛ fjj 2> ^. Схема определения r} li2i ^ показана на рис. 3.13, б.

Одним из основных моментов в предложенном методе расчета нижней оценки коэффициента готовности АЛ является определение характеристик надежности объединенного (эквивалентного) участка;

интенсивности остановки Я э, интенсивности окончания остановки цэ и номинальной производительности #э. Номинальная производительность эквивалентного участка, естественно, равна производительности выпускающего (последнего) из объединенных участков, т.е. дэ = ql при объединении i участков.

Для определения интенсивности отказов и восстановлений эквивалентного участка воспользуемся решением для коэффициента готовности двухучастковой АЛ и ориентированным графом состояний. Так как случайный процесс функционирования двухучастковых АЛ является эргодическим, то среднее время пребывания в каждом состоянии будет равняться обратной величине суммарной интенсивности ухода из этого состояния. Поэтому на основании ориентированного графа состояний и по известным значениям вероятности пребывания в каждом состоянии можно определить среднее время работы между двумя остановами однопоточной двухучастковой АЛ (ОДАЛ).

На основании ориентированного графа состояний двухучастковой АЛ среднее время работы до отказа и среднее время восстановления будут вычисляться соответственно по следующим формулам:

ВАЛ - где а,- — возможное состояние АЛ; а>„ — суммарная интенсивность выхода из состояния a. ; Fa (z) — вероятность того, что АЛ находится в состоянии (a., z}; y a 0, если в а -м состоянии АЛ простаиваесли в «у-м состоянии АЛ работает; Г вАЛ — среднее время восстановления ОДАЛ; т\л — коэффициент готовности ОД АЛ;

*рАЛ ~~ сРеДнее время между простоями ОДАЛ.

На основании формулы (3.15) эквивалентные параметры объединенного (эквивалентного) участка будут вычисляться по следующей формуле: X, = (ГрддГ1, щ = (1вАЛ>~1.

Структурная схема алгоритма, реализующая изложенный метод, приведена на рис. 3.14.

В качестве примера на рис. 3.15 показан ориентированный граф состояний для двухучастковой АЛ с равными производительностями участков. Значения параметров ( Да(1)