1.4. Этапы и тенденции развития гибких автоматических производств

Гибкие автоматизированные и автоматические производства появились в промышленности лишь в последние годы. Однако требование гибкости уже давно учитывается при комплексной механизации и автоматизации много номенклатурного производства.

В условиях обычного завода с изменяющейся номенклатурой изделий гибкость производства обеспечивается в основном за счет людей, обслуживающих соответствующее технологическое оборудование. Поэтому те заводы, где широко используется ручной труд, являются достаточно гибкими. Однако уровень автоматизации на таких предприятиях низок, а резервы повышения производительности труда весьма ограничены.

Высокий уровень автоматизации и интенсификации производства достигается на поточных автоматических линиях и заводах-автоматах, построенных на базе традиционных средств жесткой автоматизации. Примером может служить завод-автомат Минавтопрома, созданный в 1950 г. в Ульяновске. На этом заводе, выпускавшем поршни для двигателей автомобилей, были автоматизированы практически все технологические операции - от литья заготовок до упаковки в тару готовой продукции.

Основным недостатком такого рода жестких автоматических производств является невозможность перестройки производства на выпуск новых изделий. Даже простое изменение типоразмеров продукции может потребовать коренной перестройки всего производства, что сопряжено с большими затратами. Поэтому автоматические линии и заводы-автоматы с жесткой технологией находят применение лишь в крупносерийном и массовом производстве. Однако удельный вес такого производства неуклонно уменьшается и составляет сегодня около 20 % общего объема мирового производства. В этих условиях возникла острая необходимость в создании и широком использовании ГАП, соединяющих высокую производительность автоматических поточных линий с гибкостью, обеспечиваемой только непосредственным участием человека в технологическом процессе.

За время своей короткой истории ГАП претерпело ряд качественных изменений, касающихся прежде всего принципов управления, а также связанных с ними особенностей информационного, программного и технического обеспечения. Эволюция ГАП в значительной мере определяется развитием роботехники, поэтому представляется целесообразным условно разбить ГАП на поколения по аналогии с эволюционной классификацией роботов и РТК, приведенной в предыдущем параграфе.

На первом этапе были созданы автоматизированные и автоматические производства с цифровым программным управлением от ЭВМ, которые представляют первое поколение ГАП. В основе их действия лежат принципы программного управления оборудованием и групповой технологии, обеспечивающие гибкость производства. Согласно этим принципам весь технологический процесс изготовления требуемой продукции расчленяется на элементарные операции и цепочки технологических маршрутов по группам (классам) деталей, после чего производится выбор необходимого оборудования (станки с ЧПУ, склады, роботы, толкатели и т. п.) и программирование его работы.

Алгоритмы функционирования ГАП первого поколения (очередность доставки заготовок, порядок перехода деталей от станка к станку, время смены инструмента и т. п.) являются по существу жестко заданными. Переход от одного алгоритма к другому осуществляется лишь при изменении характера выпускаемой продукции. Обычно эти алгоритмы (точнее, алгоритмические модели функционирования ГАП) реализуются в форме программного обеспечения для сети управляющих ЭВМ.

Функциональные возможности ГАП первого поколения существенно ограничиваются жестким характером управляющих программ и несовершенством информационной системы и системы управления. Последняя служит, в основном, для автоматического переключения управляющих программ при переходе на выпуск новой продукции. Поскольку системы программного управления не адаптивны, ГАП первого поколения теряют свою надежность и даже работоспособность при изменениях производственной обстановки. Поэтому для успешной эксплуатации таких ГАП необходимо, чтобы производственные условия были строго определенными и неизменными. Однако организация и поддержание требуемых условий зачастую сопряжены с большими трудностями и затратами, связанными с изготовлением специальной оснастки для точного позиционирования и ориентирования деталей, своевременной уборкой отходов производства и т. п. Тем не менее область применения возможных ГАП первого поколения достаточно широка. Из-за несовершенства систем программного управления наладка и эксплуатация ГАП первого поколения обычно производится с помощью людей, поэтому гибкое производство правильнее назвать автоматизированным.

ГАП первого поколения появились в 1970-х годах. Этому предшествовала разработка принципиально новых средств управления и автоматизации, знаменующих собой важнейшие этапы предыстории ГАП.

Начало гибкой автоматизации можно связать с 1952 г., когда в Массачусетском технологическом институте (США) была разработана система цифрового программного управления фрезерным станком [24]. Эта первая цифровая система контурного управления была реализована в виде лабораторной установки, содержащей 250 электронных ламп, 125 реле и 25 сигнальных ламп. Ее программирование осуществлялось в двоичном коде на перфоленте.

Среди важнейших вычислительных операций, которые были автоматизированы при формировании программного управления, отметим интерполирование и определение эквидистанты программной траектории фрезы. В дальнейшем возникла необходимость корректировать программу с учетом износа инструмента и выполнять некоторые другие расчеты. Для реализации всех этих трудоемких операций в реальном времени нужна управляющая ЭВМ. Так была создана первая цифровая система программного управления, положившая начало широкому применению ЭВМ для управления станками и другим производственным оборудованием.

Первые отечественные цифровые системы программного управления были разработаны в 1950-х годах Экспериментальным научно-исследовательским институтом металлорежущих станков (ЭНИМС) и Институтом автоматики и телемеханики (ИАТ) АН СССР [24]. Система ЭНИМС управляла шаговыми двигателями и работала по разомкнутому циклу, т. е. без обратной связи по положению. Система ИАТ работала по замкнутому контуру, причем в качестве датчиков обратной связи в ней использовались вращающиеся трансформаторы. Отличительной чертой этой системы контурного управления приводами подачи было то, что программа движения записывалась на магнитную ленту. Этот способ записи программы (с последующим ее считыванием в рабочем режиме) в дальнейшем получил широкое распространение в цифровых системах программного управления станков и роботов. В некоторых из них магнитозапись используется только при программировании движений рабочих органов в процессе эталонного выполнения технологической операции с помощью оператора, а затем полученная программа вводится в память ЭВМ. При этом оператор контролирует правильность записи программы и в случае необходимости корректирует ее. В других системах программа хранится на кассете и используется, как и в системе ИАТ, для непосредственного цифрового управления оборудованием.

Интересно отметить, что система ИАТ нашла применение при цифровом управлении универсальным автоматом, предназначенным для монтажа сложных электронных узлов по заданной программе. Этот автомат, созданный в 1957 г., является, по существу, прямым прототипом современных манипуляционных роботов с программным управлением, широко применяемых для сборки печатных плат и других изделий.

Недостатком обычных одно-операционных станков с программным управлением, выполняющих только одну технологическую операцию (фрезерование, сверление, точение и т. п.), является то, что значительная часть времени (в среднем около 80 % от полного цикла обработки) затрачивается на передачу изделия между операциями со станка на станок. Поэтому на втором этапе гибкой автоматизации были разработаны много операционные станки, осуществляющие весь цикл обработки с одной установки заготовки в рабочей зоне - "центре обработки". Эти станки с цифровым программным управлением получили название "обрабатывающих центров".

Выполнение нескольких технологических операций за одну установку заготовки требует автоматической подачи в рабочую зону различных инструментов. Обычно это осуществляется либо сменой шпинделей с закрепленными в них инструментами, либо сменой инструментов в одном шпинделе. Поэтому системы программного управления обрабатывающих центров сложнее, чем у одно-операционных станков. Они обеспечивают управление рядом дополнительных операций, таких, как автоматическая смена инструмента по программе с помощью кодирования инструмента и извлечения его из соответствующих гнезд магазина, автоматическая установка заготовки, выбор по программе оптимальной подачи и числа оборотов шпинделя и т. п.

Следует отметить, что цифровые системы программного управления технологическим оборудованием долгое время не находили широкого применения. Это объясняется тем, что первые образцы этих систем были громоздки, дороги и ненадежны. Однако в начале 1970-х годов ситуация радикально изменилась: появились надежные микро ЭВМ и микропроцессоры, на базе которых и начали строить системы программного управления. Это привело к резкому снижению стоимости, повышению гибкости и надежности программно-управляемого оборудования, которое вскоре стало важнейшим компонентом ГАП.

Главным препятствием на пути полной автоматизации производства долгое время оставались сложности, связанные с автоматизацией ручного труда. Принципиальная сложность автоматизации ручных операций заключается в том, что они обычно требуют не только строго скоординированного манипулирования с дозировкой усилий, но и визуального контроля, анализа обстановки, распознавания неориентированных деталей и т. п. Большое разнообразие возможных ситуаций и изменчивость обстановки в рабочей зоне делает невозможным применение традиционных средств жесткой автоматизации (станков-автоматов, автоматических линий и т. п.). В подобных случаях нужны универсальные, но в то же время и достаточно гибкие средства автоматизации. Такие средства были созданы только в последние годы. К ним относятся манипуляционные и транспортные роботы, а также робототехнические системы с элементами искусственного интеллекта для визуального контроля, автоматизации измерений и т. п. Появление промышленных роботов, робототехнических систем и РТК на их основе знаменует собой третий этап гибкой автоматизации.

На четвертом этапе были созданы автоматические склады, системы уборки технологических отходов и некоторые другие специализированные компоненты ГАП. На этом предыстория ГАП завершилась. В результате были созданы все необходимые предпосылки и реальные возможности для комплексирования программно управляемого оборудования, РТК, автоматических складов и т. д. в ГАП с единым управлением от локальной вычислительной сети.

Остановимся на современном состоянии и тенденциях развития ГАП. Сегодня в промышленности индустриально развитых стран используются сотни ГАП различного масштаба (от ГАП-участков до ГАП-заводов) и назначения. В основном это простейшие ГАП первого поколения, ориентированные на механическую обработку. Типичными примерами механо-обрабатывающих ГАП могут служить гибкие автоматизированные комплексы типа АСК, АСВ и АЛП, созданные в 1970-х годах в СССР. Эти ГАП с цифровым программным управлением служат для автоматической токарной обработки корпусных деталей и тел вращения широкой номенклатуры.

По мере совершенствования РТК и ГАП-участков открылась возможность создания ГАП-заводов. Так, в 1980 г. японская фирма "Фанук" (Fanuc) ввела в действие весьма совершенное экспериментальное ГАП, предназначенное для изготовления небольшими сериями роботов, станков с ЧПУ и электро-искровых установок. Интересна история создания данного завода-автомата. В 1973 г. в Японии была начата комплексная программа научно-технических исследований, направленных на создание завода-автомата с гибкой технологией. Программа финансировалась государством при участии 15 частных корпораций. В 1976 г. были разработаны общие принципы построения гибкого завода- автомата. В последующие годы этот ГАП-завод был спроектирован и создан на базе фирмы "Фанук".

Гибкая технология, реализуемая ГАП, основывается на принципе групповой организации производства. Согласно этому принципу выпускаемые изделия сначала разбиваются на группы (классы) по конструктивно-технологическим принципам (например, по видам обработки или типам оборудования, инструмента и т. п.), а затем для каждой группы разрабатывается свой унифицированный технологический процесс, который позволяет на базе определенной совокупности оборудования ГАП изготовить любое изделие из данной группы. При этом очередность прохождения каждой заготовки через технологические ячейки, как правило, заранее не фиксируется, а определяется в зависимости от степени их загрузки. Благодаря этому обеспечивается оптимальная загрузка оборудования и повышается его производительность.

В общем случае система управления ГАП с групповой организацией производства уже не может быть жесткой, так как она должна обеспечить возможность адаптации к изменяющимся производственным условиям. Это обстоятельство предъявляет повышенные требования к информационной системе, которая в этом случае помимо широкого ассортимента датчиков информации о состоянии оборудования должна содержать имитационную модель самого ГАП. Использование этой модели и сигналов обратной связи от датчиков позволяет организовать цифровое адаптивное управление производством, реализуемое на базе многопроцессорной вычислительной сети.

Гибкие производительные комплексы с адаптивным управлением от ЭВМ относятся ко второму поколению ГАП. Они принципиально отличаются от ГАП первого поколения мощным информационным и программным обеспечением, позволяющим существенно расширить адаптационные возможности системы управления. Такие ГАП за счет самонастройки системы управления могут автоматически приспосабливаться к заранее неизвестным и непредсказуемо изменяющимся производственным условиям.

Следующее, третье поколение ГАП - это ГАП с интеллектуальным управлением. Характерной чертой таких ГАП является высокий уровень интеллектуальности, обеспечиваемый введением в систему автоматического управления элементов искусственного интеллекта. Благодаря этому удается автоматизировать такие интеллектуальные функции, как планирование производства, проектирование продукции, оптимизацию технологических процессов, программирование оборудования, распознавание производственных ситуаций и диагностику отказов. Реальные потребности в ГАП третьего поколения и условия для их создания появились лишь в последние годы. Они отражают современные тенденции дальнейшего развития ГАП в направлении создания адаптивных безлюдных производств с интеллектуальным управлением от сети ЭВМ на принципах безбумажной информатики. Однако на этом пути имеется еще много трудностей и препятствий, поэтому системы искусственного интеллекта (СИИ), используемые в ГАП третьего поколения, зачастую работают не в автоматическом, а в интерактивном режиме, т. е. в режиме диалога с человеком. Примерами таких интерактивных СИИ, реально используемых в экспериментальных ГАП, могут служить системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП) и системы автоматизированного контроля (САК). В перспективе все названные системы будут работать в автоматическом режиме в составе интегрированного научно-производственного комплекса (ИНПК), представляющих высшую форму развития ГАП.

Описанная эволюция гибких производственных систем вовсе не означает, что последующее поколение ГАП обязательно вытесняет и заменяет предыдущее. На самом деле это не так: каждое поколение ГАП служит для решения того круга производственных задач, для которого оно наиболее эффективно.

На рис. 1.5 схематично представлена эволюционная классификация РТК и ГАП. Здесь по оси абсцисс отмечено используемое оборудование, а по оси ординат указаны автоматизируемые функции. Разделение РТК и ГАП на поколения произведено здесь в основном по принципу управления. Интеграция функций автоматического управления с функциями технологической подготовки производства, проектирования и научных исследований приводит к новой инфраструктуре - ИНПК, который можно условно рассматривать как четвертое поколение ГАП. По прогнозам специалистов [24, 33, 128], комплексная автоматизация и интенсификация производства приведет к тому, что через 10-15 лет ГАП будут преобладать в промышленности индустриально развитых стран, причем удельный вес ГАП с адаптивным и интеллектуальным управлением будет все время возрастать. В перспективе ГАП превратится в ИНПК.

Рис. 1.5. Эволюционная классификация РТК и ГАП: ОС - одно-операциониый станок с ЧПУ; МР - манипуляционный робот; ОЦ - обрабатывающий центр; ТР- транспортный робот; ИР-измерительный манипуляционный робот; АС - автоматический склад; АТС - автоматическая транспортная система; САК - система автоматического контроля