8.4.3. Гибкие производственные процессы и роботизированные производства

  Важным направлением развития ряда отраслей промышленности является создание и совершенствование гибких производственных систем (ГПС). Концепция гибких систем порождена двумя противоречивыми тенденциями развития современного производства: с одной стороны, сокращаются сроки подготовки и выпуска новых изделий, расширяется их номенклатура, снижается количество изделий, выпускаемых по неизменной технологической документации, а с другой, проявляется стремление снизить трудоемкость и себестоимость продукции при сохранении высокого качества. Первая тенденция предусматривает возрастание степени универсальности оборудования и систем управления, возможность реализовать любые заранее не спланированные производственные ситуации, быстро переходить на выпуск новой продукции, т. е. увеличение мобильности производства.

  Вторая тенденция связана с использованием специального или специализированного оборудования, высоким уровнем автоматизации производственного процесса, стремлением к высокопроизводительному выпуску продукции ограниченной номенклатуры в течение длительного времени.

  Легко заметить противоречивость требований, регламентирующих перечисленные направления развития производства. Концепция гибкого производства как раз и направлена на объединение, совместное использование позитивных сторон рассмотренных направлений, создание мобильного высокопроизводительного производства.

  Гибкость — это свойство производственной системы быстро перестраиваться на выпуск новой продукции, т. е. переходить в пределах установленных технологических возможностей из одного работоспособного функционального состояния в другое для выполнения очередного производственного задания или новой функции. Рассмотрим подробнее основные характеристики гибкого производства (ГП):

  Как свойство производственной системы гибкость имеет четыре основных признака:

  1) повторяемость — способность системы многократно возвращаться к выполнению ранее освоенных работ после завершения данной работы;
  2) универсальность — способность системы обрабатывать различные изделия и в различных количествах без какой-либо модификации;
  3) приспособляемость — способность системы к переналадке на новое изделие путем воздействия извне или самонастройки;
  4) адаптивность — способность системы приспосабливаться к изменению внешних или внутренних факторов в определенных пределах без нарушения собственного функционирования или потери качества продукции.

  Для количественной оценки степени гибкости ГПС используют интегральный показатель гибкости:

(8.4.1)

где n — число различных функциональных состояний производственной системы в пределах ее технологических возможностей; τij — время перехода из i-го в j-е  функциональное состояние; Т — некоторый плановый базовый период работы оборудования.

  Очевидно, наибольшее значение этого показателя при предельном переходе n → ∞ и τij  → 0 равно единице.

  Между производительностью ПС и ее гибкостью существует взаимосвязь, качественно характеризуемая кривой, представленной на рис. 8.4.3. Видно, что чем шире номенклатура выпускаемых изделий, тем ниже производительность, и каждому сочетанию этих параметров соответствует определенная группа оборудования.


Рис. 8.4.3. Область применения оборудования с различным показателем гибкости

  Введем несколько общепринятых определений. В соответствии с ГОСТ 26228–84 ГПС — это совокупность технологического оборудования и системы обеспечения ее функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий заданной номенклатуры в установленных пределах значений их характеристик.

  По организационной структуре ГПС формируются в виде гибкого производственного модуля (ГПМ), гибкой автоматизированной линии или участка (ГАУ), гибкого автоматизированного цеха (ГАЦ) и гибкого автоматизированного завода (ГАЗ). Очевидно, перечисленные формы ГПС отражают ее иерархическую структуру.

  Исходной единицей ГПС является ГПМ — автономно функционирующая единица технологического оборудования с программным управлением, автоматически осуществляющая все функции изготовления изделий заданной номенклатуры, имеющая возможность встраиваться в ГПС более высокого уровня. Последние включают в себя 2—25 единиц технологического оборудования, объединенных общей функциональной задачей. Количество изделий, обрабатываемых на современных ГПС, колеблется от 2 до 140 (чаще всего 10—12).

  Типовой ГПМ для механической обработки деталей, используемый в машино- и приборостроении, представлен на рис. 8.4.4.

  Как видно, важным элементом в рассматриваемой схеме автоматизированного производства является робот-манипулятор, который обеспечивает загрузку-рагрузку основного технологического оборудования. В ряде случаев робот выполняет основные технологические функции (сварку, сборку, пайку и пр.). Масштабы роботизации современного производства весьма велики. Динамика промышленного освоения роботов хорошо видна на примере промышленности США: в 1979 г. в этой стране использовалось 3 тыс. промышленных роботов, в 1984 г. — 13 тыс., в 1990 г. — 150 тыс.


Рис. 8.4.4. Структурная схема ГПМ механообработки:
1 — робот-манипулятор; 2 — система управления; 3 — накопитель инструмента; 4 — накопитель заготовок;
5 — станок с ЧПУ; 6 — устройство для удаления стружки

  Рассматривая эффективность внедрения ГПС, следует иметь в виду, что потенциально ГПС могут обрабатывать изделия 5—5,5 тыс. ч в год, если обеспечить их трехсменную работу в течение 250 дней. В то же время металлорежущий станок, например, обрабатывает изделия в среднем 600—700 ч в год (при односменной 8-часовой работе в течение 250 рабочих дней с коэффициентом использования 0,3—0,4). Обеспечение работы ГПС  в безлюдном режиме в течение 24—48 ч позволит организовать работу в выходные и праздничные дни, что в общем составит почти 7800 ч продуктивной работы оборудования, оставляя лишь несколько дней на профилактические работы и ремонтное обслуживание. Таким образом, фондоотдача  при использовании ГПС возрастает более чем в 10 раз, что следует учитывать при оценке целесообразности их внедрения.

8.4.4. Повышение эффективности существующих технологических процессов

  Выше рассмотрены наиболее важные направления развития современных технологий, которые необходимо учитывать при их проектировании. Вместе с тем на значительной части промышленных предприятий используются технологии и эксплуатируется Лабораторное оборудование, спроектированные 10—20 лет тому назад. Закрывать такие производства не всегда выгодно. Как правило, их реконструируют, модернизируют, совершенствуют.

  Техническое перевооружение действующих производств выполняется как на уровне единичного оборудования, так и на уровне участков, линий, цехов. Все чаще причиной замены технологического оборудования становится не физический, а моральный износ. В связи с этим актуальной становится задача вторичного использования списанного оборудования, которая в ряде случаев находит успешное решение (применение газотурбинных двигателей, отработавших свой летный ресурс, для перекачки газов в газопроводах, очистки взлетных полос от обледенения; восстановление и вторичное использование металлорежущих станков на производствах более низкого технологического уровня и т. д.). Интересным примером вторичного использования оборудования служит разработка роторного полуавтомата для электрохимической обработки изделий на базе элементов конструкции морально и физически устаревшего автомата для расфасовки жидкостей. Такое решение существенно снизило стоимость и длительность проектирования и изготовления изделия.

  Эффективность технического перевооружения связана не только с заменой технологического оборудования, но и с внедрением новых типов вспомогательной и управленческой техники. Так, использование автоматизированных складов позволяет снизить затраты малоквалифицированного ручного труда, сократить потребные производственные площади. Современная управленческая техника интенсифицирует процесс принятия и реализации решений, обеспечивает надежный оперативный контроль производства.

  Снижение относительной величины бракованной продукции достигается путем возрастания технологической надежности производства. Например, на предприятиях, производящих элементы электронной техники (большие  интегральные  схемы,  многослойные  платы, изделия из микропровода), любые организационно-технические мероприятия, позволяющие снизить процент брака, весьма эффективны.

  Особенно высокие требования по технологической надежности предъявляются к конечным, финишным операциям в связи с тем, что возможный брак на этой стадии производства приводит к убыткам не только за счет стоимости использованных материалов, но и за счет потерь живого и овеществленного труда на предыдущих стадиях.

  На многих производствах часть бракованной продукции может быть исправлена путем доработки (с соответствующими дополнительными затратами), а часть приводит к невосполнимым потерям. Такая ситуация характерна, например, для машиностроительного производства.

  Организация производства существенным образом влияет на его эффективность. Так, предложенная Г. Фордом конвейерная сборка автомобилей (непрерывно-поточное производство) на многие годы определила стратегию автомобилестроения. Однако современные требования к автомобилю заставили изменить эту стратегию. Например, шведская фирма «Вольво», используя концепцию гибкого автоматизированного производства, перешла на бесконвейерную сборку и резко сократила серийность выпуска одной модели. Это одна из причин высокой конкурентоспособности продукции фирмы.

  Возрастание степени сложности и стоимости промышленной продукции значительно удорожает незавершенное производство, приводит к увеличению оборотных средств. В связи с этим перспективной является организация производства по принципу «все только тогда, когда нужно». Этот принцип предопределяет снижение производственных заделов, сокращение складов. Он основан на централизации, интеграции, высоком уровне качества управления производством. Применительно к машиностроению этот принцип заключается в изготовлении отдельных деталей и получении комплектующих изделий только тогда, когда они необходимы на сборке. Очевидно, реализация принципа требует высокой степени организации производства.

  Эффективная организация производственного процесса предусматривает также улучшение социальных факторов, направленных на поддерживание высокой работоспособности и надежности действий оператора и другого производственного персонала. Одним из таких факторов является безопасность жизнедеятельности при осуществлении производственного процесса. Современные достижения в области инженерной психологии позволяют сформулировать требования к условиям труда на каждом рабочем месте, подобрать оператора с соответствующими физическими и психологическими качествами.

8.4.5. Технологическое применение новых физико-технических эффектов

  Заметное, как правило, скачкообразное повышение качества любой технологии достигается при использовании новых технических эффектов, основанных на физическом, химическом, биологическом или комбинированном воздействии на объект производства. Выше отмечалось, что в научной литературе описано более 3000 физико-технических эффектов (ФТЭ), лишь незначительная часть которых используется в отраслевых технологиях. Вместе с тем бурное развитие технологий ХХ в. оказалось возможным именно на основе технологического применения ультразвука, электрохимии, достижений в области физики пучков заряженных частиц, нелинейной оптики, физики электрического разряда в различных средах, плазмохимии, катализа и др. Применение новых технических эффектов в отраслевых технологиях описано в специальной литературе.

  Рассмотрим в качестве примера применение эффектов, сопровождающих электрический пробой диэлектрических сред. Если диэлектриком является жидкость, то после пробоя возникают вторичные физические явления: распространение ударной волны в жидкой среде, тепловой эффект разряда при прохождении тока значительной силы через канал разряда, излучение электромагнитных волн видимого диапазона и др. Электрический разряд в жидком диэлектрике и сопутствующие явления используют для решения различных технологических задач.

  Применение ФТЭ в пищевой технологии.При получении фруктовых соков исходное сырье подвергают дроблению, а затем отбирают жидкую фракцию-сусло самотеком с последующим прессованием. При этом отбирается механически связанная влага, клетки растительного сырья практически не разрушаются, их протоплазма в жидкую фракцию не переходит. Для разрушения клеток дробленую массу пропускают через рабочую камеру, и в ней инициируется электрический разряд. Такой процесс называют электроплазмолизом, а соответствующее Лабораторное оборудование — плазмолизатором растительного сырья. Этот процесс успешно используется  в производстве соков, при отделении жидкой фракции в процессе переработки сахарной свеклы и других видов сырья. При этом достигается увеличение выхода жидкой фракции на 5—15 % по отношению к традиционному процессу механического отделения сусла.

  Применение ФТЭ в машиностроении.На тепловом эффекте электрического разряда в жидком диэлектрике основан метод электроэрозионной обработки деталей машин (рис. 8.1.3), описанный в 8.1. Метод позволяет обработать любые электропроводные материалы независимо от их механических свойств и в ряде случаев является единственным методом, обеспечивающим решение технологической задачи.

  Применение ФТЭ в других областях. При определенных значениях параметров электроразрядного импульса в жидкой диэлектрической среде развиваются очень высокие давления. Это явление носит название электрогидравлического эффекта. В замкнутом пространстве это приводит к силовому воздействию на стенки рабочей камеры, деформации или разрушению конструктивно слабых элементов. Этот эффект нашел применение при производстве габаритных листовых изделий (электрогидравлическая штамповка), разрушении твердых горных пород и в других областях.

  Как видно, один и тот же процесс позволяет эффективно решить разнохарактерные технологические задачи в различных отраслях промышленности.

  Многие ФТЭ еще более универсальны. Например, звукокапиллярный эффект, заключающийся в увеличении (в десятки и сотни раз) высоты подъема жидкости в капилляре под действием ультразвука, используют в технологии пропитки капиллярно-пористых тел лаками, смолами и другими жидкими средами. Этот эффект облегчает подачу смазочно-охлаждающих жидкостей в зону резания при обработке материалов резанием, влияет на процессы, протекающие в живой природе: озвучивание растений волнами ультразвукового диапазона интенсифицирует их рост.