Тенденции развития гибких производственных систем
В данной статье будет рассмотрены основные тенденции развития гибких автоматизированных систем. Разработанные ранее универсальные станки стали в 80-е годы стали модернизировать, устанавливая на них систему с числовым программным управлением. Первоначально данный вид оборудования был примитивен и «кадры» в управляющую программу приходилось вносить станочнику на месте, при этом при смене детали появлялась необходимость вводить программу заново. Но уже в 90-ые годы стали создаваться современные станки, в которых были применены IT технологии. А именно появились более современные обрабатывающие центры и станки с ЧПУ.
В настоящее время ГПС функционируют главным образом в промышленно развитых странах — США, Японии, Южной Корее, странах Западной Европы и т.д. Обусловлено это целым рядом причин, определяющих возможность их использования. Эти причины связаны с рынком потребителей продукции, возможностями предприятий и используемыми технологиями и могут быть условно разделены на три группы:
1) Технические;
2) Экономические;
3) Общественные.
Две последние группы имеют своего рода принудительный характер, поскольку обусловлены хозяйственной и политической ситуацией в стране и происходящими в ней социальными изменениями. Первая группа связана с техническим уровнем используемых средств, производства, а также с уровнем технологии и организации производства. Более подробно факторы и цели использования ГПС представлены на рис. 2.1.
Весьма важным для предприятия является обеспечение соответствующего качества производимых изделий, их технического уровня при сохранении конкурентоспособной цены. Требования современного рынка характеризуются непрерывными изменениями, что заставляет производителей разделять и конкретизировать ассортимент выпускаемой продукции, сокращать количество одинаковых изделий в партии. Это способствует переходу от массового и крупносерийного производства к мелкосерийному и единичному. Типичный пример, иллюстрирующий данное явление, — изменения в структуре и организации автомобилестроения. В настоящее время легковые автомобили выпускают небольшими сериями, с большим количеством модификаций; предусмотрена возможность выполнения индивидуальных заказов. Это приводит к необходимости использования таких гибких систем, которые обеспечивали бы быстрые изменения в действующем производстве.
Переориентация промышленности на выпуск широкого ассортимента продукции малыми сериями (партиями) выявила недостатки используемых ранее форм организации производства. Так, известно, что повышения производительности труда можно достичь путем сокращения либо основного времени, либо вспомогательного. В первом случае можно использовать все более и более производительные методы обработки (например, при обработке плоскостей: строгание → цилиндрическое фрезерование → торцовое фрезерование → непрерывное торцовое фрезерование → глубинное шлифование и т.д.). Однако важнее использование резервов при организации вспомогательных процессов. Автоматизация и роботизация производства помогают в значительной степени снизить затраты времени, связанные с базированием, закреплением, снятием, перемещением обрабатываемых деталей, приспособлений, режущих инструментов.
Необходимость развития ГПС обусловлена также требованиями должного уровня организации цикла подготовки производства, и интеграции этой деятельности с оперативным управлением производством. Основные проблемы здесь связаны с обеспечением должного Уровня информации и принятия решений. В случае удачного решения проблемы появляется возможность эффективного использования автоматизированного производственного оборудования.
Появление и развитие ГПС стало возможным только при широком использовании современных технологических машин, характеризующихся гибкостью функционирования. Главное здесь — развитие систем ЧПУ производственным оборудованием и использование возможностей современных технологий на уровне информации и принятия решений. Способствуют развитию ГПС, также улучшение конструкций металлорежущих станков (например, линейные двигатели), металлорежущих инструментов (сменные пластины, использование износостойких покрытий), появление новых конструкционных материалов (искусственные граниты, стали повышенной обрабатываемости) и др.
Следует хотя бы кратко сказать и о роли социальных процессов в развитии ГПС. В постиндустриальном обществе снижается заинтересованность в труде, пусть и высокооплачиваемом, но требующем значительных физических усилий и опасном для здоровья, и увеличивается заинтересованность в труде творческом, интеллектуальном.
Подводя итоги, можно сказать, что использование ГАП позволяет: в мелко, и среднесерийном производстве — повысить уровень автоматизации с сохранением гибкости; в крупносерийном и массовом производстве — повысить гибкость при сохранении существующего уровня автоматизации.
Основным фактором применения ГАП является эффективность гибкой автоматизации производства. Известно, что в структуре времени обработки деталей на основе традиционных технологий доля основного времени составляет только около 30 %, а оставшаяся часть приходится на вспомогательное и подготовительно-заключительное время. Автоматизация в ряде случаев позволяет сократить их на 80%. Еще более значительный эффект может быть достигнут в течение достаточно длительного времени функционирования ГАП, например в течение года. Это легко заметить при анализе данных, приведенных в табл. 2.1 и 2.2.
К основным достоинствам ГАП следует отнести:
- Возможность быстрой реакции предприятия на требования внутренних и зарубежных рынков;
- Повышение и сохранение качества выпускаемой продукции;
- Повышение производительности труда, в первую очередь в результате использования станков с высокой концентрацией операций;
- Увеличение действительного фонда времени работы машин за счет работы в три смены, работы во время отпусков и болезней персонала;
- Уменьшение численности обслуживающего персонала, что приводит к снижению затрат на заработную плату и социальные отчисления;
- Значительное улучшение условий труда, в первую очередь за счет исключения тяжелой, неквалифицированной работы;
- Возможность снижения себестоимости продукции.
Исследования, проведенные в ФРГ, США, Швейцарии и других странах, показали, что эффективное время обработки на традиционных металлорежущих станках и станках с ЧПУ в случае участия человека (оператора) составляет только 6…10 % годового фонда рабочего времени. Это привело к созданию ГПМ и ГПС, обеспечивающих работу в три смены с минимальным участием человека.
Эффективность ГАП можно проиллюстрировать с помощью данных швейцарской фирмы «Erowa» (рис. 2.2). На рисунке выделено пять уровней автоматизации:
- Автоматизация без дополнительной оснастки и оборудования — станки с ЧПУ, обслуживаемые операторами, не соединенные с транспортными системами, накопителями деталей и с различными системами закрепления деталей;
- Нормализация — использование одного и того же способа закрепления деталей на всех станках в течение цикла обработки (универсальная инструментальная оснастка, паллеты и др.);
- Правильная организация производства — закрепление заготовок в приспособлениях вне станка с использованием принятой системы координат и введением поправок в программу обработки;
- Система прецизионного закрепления, реализованная на втором уровне и обеспечивающая транспортирование и установку паллеты на станке практически без погрешностей;
- Жесткая автоматизация — использование средств автоматизации, в частности автоматическая смена режущих инструментов + смена паллет оператором или автоматическая замена режущих инструментов + смена паллет манипулятором;
- Гибкая автоматизация — использование средств гибкой автоматизации, в частности смена инструментов и паллет программируемым промышленным роботом;
- Увеличению времени эффективного использования машин сопутствует снижение стоимости машино-часа их работы. Под термином «интеграция» понимается объединение станков в систему с помощью локальной компьютерной сети с целью объединения перемещаемых деталей, режущих инструментов и соответствующих потоков информации.
- Увеличение времени эффективного использования машин способствует также сокращению времени реализации заказов (рис. 2.3)
Таким образом, следует, что на данный момент времени уже уходит в прошлое использование универсальных станков и устаревших технологиях. И так как в данный момент времени развитие ГПС и САПР «идет семимильными шагами», поэтому при создании новых проектов и технологий следует учитывать данные тенденции и применять.
История развития CAD/CAM систем
В 60-ые годы новаторская работа Ивана Сазерленда (Ivan Sutherland) наметила первую заметную веху в машинной графии (МГ). Его докторская диссертация в МТИ 1963 года, описывающая принципы построения интерактивной системы эскизного рисования Sketchpad, определяла структуры данных, которые явились теоретической основой для программного обеспечения машинной графики. В том же году, и в том же МТИ, Стив Кунс начал разработку методов кусочных поверхностей.
К середине 1960-х наступил период плодотворной работы и в промышленных приложениях МГ. Под руководством Тирбера Мофетта и Нормана Тейлора фирма Itek разработала цифровую электронную чертежную машину, которая стала основой для серии систем интерактивной графики компании Control Data Corp. В 1964 году General Motors представила свою DAC-1 — систему автоматизированного проектирования, разработанную совместно с IBM. В следующем году работа проводилась вместе с S.H. был создан проект «Chase» — первый прототип системы числового программного управления (ЧПУ) для фирмы Lockheed. К октябрю 1966 года даже Wall Street Journal уже публиковал статьи о МГ.
В конце шестидесятых — начале семидесятых в области машинной графики начали работать новые фирмы. Если ранее для выполнения каких-либо работ покупателям приходилось устанавливать уникальное оборудование и разрабатывать новое программное обеспечение, то с появлением разнообразных пакетов программ, облегчающих процесс создания изображений, чертежей и интерфейсов, ситуация существенно изменилась. За десятилетие системы «под ключ» стали настолько совершенны, что почти полностью изолировали пользователя от проблем, связанных с программным обеспечением. Итогом десятилетия для покупателей стали «проблемно-ориентированные устройства», специально предназначенные для решения конкретной задачи.
В конце семидесятых в МГ произошли значительные изменения. Память для дисплеев стала дешевле, появилась возможность создания растровых дисплеев, имеющих множество преимуществ: вывод больших массивов данных, устойчивое, немерцающее изображение, работа с цветом и недорогие мониторы. Правда, пришлось пожертвовать качеством изображения некоторых, особенно наклонных, линий из-за того, что память была все же не настолько дешевой, и при выводе наблюдался лестничный эффект. Однако впервые стало возможным получение блестящей цветовой гаммы. Растровая технология в конце семидесятых стала явно доминирующей и начала распространяться на рынке вместе с DVST и системами с регенерацией изображения.
Устройства ввода в ранних системах машинной графики ограничивались клавиатурой и световыми перьями. В 1970-х этот список расширился и пополнился мышью, трекболом, графическими планшетами, и дигитайзерами, а также сенсорными устройствами. Высокоскоростные электростатические графопостроители позволяли быстро получать высококачественные монохромные копии. Менее дорогие, многоперьевые крупноформатные электромеханические графопостроители формировали цветные копии. Ленточные регистраторы и струйные графопостроители также стали использоваться для получения цветных изображений.
В восьмидесятые полного расцвета достигло появившееся несколько ранее первое приложение — «убийца» машинной графики как чистой технологии. Речь идет о системах автоматизированного проектирования и производства — об одном из первых применений МГ, способном вернуть сделанные в нее капиталовложения. Системы CAD/CAM начались с мэйнфреймов, работающих с каркасными моделями, визуализируемыми с помощью обычных или интеллектуальных терминалов. К середине восьмидесятых рабочие станции становятся уже обычным средством.
Конечно, ПК развивались как важная часть машинной графики, особенно с появлением в 1984 году модели Apple Macintosh с их графическим интерфейсом пользователя. Первоначально областью применения ПК были не графические приложения, а работа с текстовыми процессорами и электронными таблицами, однако его возможности как графического устройства побуждали к разработке относительно недорогих программ как в области CAD/CAM, так и в более общих областях бизнеса и искусства. К концу десятилетия программное обеспечение имелось для всех сфер применения: от комплексов управления до настольных издательских систем.
Эти годы характеризовались существенным повышением производительности и снижением соотношения цена/производительность. Персональные компьютеры и рабочие станции стоимостью 10 тысяч долл. теснят вычислительные системы более ранних выпусков и графические комплексы на специализированных терминалах. Высокопроизводительные («high-end») рабочие станции стоимостью от 30 до 100 тысяч долл. приобрели возможности вывода фотореалистических изображений в реальном масштабе времени. Появившиеся в это время параллельные процессоры и графические ускорители позволяли повышать производительность. Теперь уже дисплеи в 1000 строк и с 16 млн. цветов стали привычными: появились цветные дисплеи на 2000 строк, правда, еще достаточно дорогие, однако становятся доступными монохромные системы с размером экрана в 3000 строк (стоимостью около 5 тысяч долл.).
Для восьмидесятых характерен активный процесс слияния и смены владельцев компаний, например: фирма General Electronic купила Calma и продала ее часть Valid Logic и Prime, фирма Prime, в свою очередь, купила Computervision и Versacad, McDonnell-Douglas купила Unigraphics, Hewlett Packard приобрела Apollo, а IBM купила CADAM. Компания Raster Technologies была продана Alliant, а Stellar и Ardent, слившись, образовали Stardent. Это вызывало головокружение, но все, же свидетельствовало о динамизме развития МГ.
В 90-ые годы количество и размер компаний, использующих графику в качестве отдельного продукта, интегрирующей системы или инструмента разработки программного обеспечения превратило машинную графику в индустрию. Комбинация абстрактной энергии человеческого зрения с интерактивной энергией графической среды останется основной целью использования компьютерных возможностей.
Конечно, индивидуальность в индустрии теряется. Например, мы прежде отличали рабочие станции от ПК по параметрам разрешающей способности дисплея и производительности, размеру слова в процессоре, используемой операционной системе и цене. Сегодня единственным отличием может быть пропускная способность магистральной шины, однако даже такое отличие исчезает после появления шин PCI и USB.
Системы CAD/CAM используются сегодня в различных областях инженерной конструкторской деятельности от проектирования микросхем до создания самолетов. Ведущие инженерные и производственные компании, такие как Boeing, в конечном счете, двигаются к полностью цифровому представлению конструкции самолетов.
Научные лаборатории продолжают генерировать новые идеи в области визуализации. Задача сообщества МГ состоит в создании удобных инструментов и эффективных технологий, позволяющих пользователям продолжать научные изыскания за границей возможного и безопасного эксперимента.
Все эти инженерные и научные применения убеждают, что индустрия машинной графики начала обеспечивать пользователей новой технологией, при которой они действительно уже не заботятся о том, как формируется изображение – им важен результат.
Стремительный рост САПР в проектных организациях и на машиностроительных заводах способствовал увеличению числа высших и средних учебных заведений, в которых преподается САПР. О внимании, которое уделяется САПР в промышленно развитых странах, говорит тот факт, что по рекомендациям ЮНЕСКО в базисном учебном плане по информатике и информационным технологиям предусмотрен факультативный блок «Конструирование с помощью компьютера».
Основной результат за последние 50 лет современные технологии привели к полной интеграции ГПС и САПР систем, в которых создаются уже «эко-системы» современного машиностроительного производства.
