Автоматизировать производство можно с применением приборов, машин, приспособлений, позволяющих осуществлять производственные процессы без физических усилий человека, лишь под его контролем.
В качестве примера технологического цикла работы гибкого производственного модуля (ГПМ) рассмотрим операцию выполнения детали с применением токарного станка с ЧПУ, производственного робота (ПР) с манипулятором и кассеты накопителя (рис. 1). Токарный станок выполняет комбинированную обработку детали; производственный робот перемещает заготовку и готовую деталь между станком и кассетой накопителя. На рис. 1,а манипулятор изображен в момент установки заготовки в патрон токарного станка; на рис. 1,б манипулятор изображен в промежуточной позиции. Инструменты станка установлены в револьверной головке 2; смена инструмента осуществляется поворотом револьверной головки относительно оси О4-О4 в стороне от зоны обработки. Крепление заготовки в токарном патроне 1 осуществляется захватным устройством 6. Перемещение заготовки 8 и готовой детали 9 между кассетой 7 и патроном 1 станка осуществляется с помощью производственного робота, который имеет в своем составе манипулятор 3 с двумя захватными устройствами (захватами) 4 и 5. Захватное устройство №1 4 предназначено для фиксации заготовок; захватное устройство №2 5 – для фиксации готовых деталей. Смена пространственного положения захватов №1 и №2 осуществляется с помощью разворота манипулятора 3 относительно оси О2-О2 на 180°. Разворот манипулятора осуществляется в промежуточной позиции производственного робота (рис. 1,б).
Рис. 1. Структурная схема гибкого производственного модуля: а) манипулятор в рабочей зоне токарного станка; б) манипулятор в промежуточной позиции; 1 – токарный патрон; 2 – револьверная головка; 3 – манипулятор; 4 – захватное устройство (захваты) №1 для фиксации заготовок; 5 – захватное устройство (захваты) №2 для фиксации готовых деталей; 6 – захватное устройство токарного патрона; 7 – кассета накопителя; 8 – заготовка; 9 – готовая деталь; А, Б, В – направления движений манипулятора
В данном случае, автоматизировать производство можно с помощью исполнительных элементов ГПМ, которыми являются приводы токарного станка и производственного робота. В процессе моделирования технологического цикла две группы приводов, выполняющие совместные действия, были условно объединены в «совмещенный» исполнительный элемент. Это:
- группа приводов токарного станка, участвующих непосредственно в процессе комбинированной обработки детали;
- группа приводов производственного робота, осуществляющих перемещение и ориентацию манипулятора в пространстве.
Список и кодированные обозначения исполнительных элементов ГПМ на циклограммах приведены ниже:
- 1 Исполнительный элемент обработки детали (совмещенный)
- 2 Захватное устройство токарного патрона (захват заготовок)
Промышленный робот (ПР)
- 3 Исполнительный элемент перемещения манипулятора в пространстве (совмещенный)
- 4 Привод разворота манипулятора
- 5 Захватное устройство №1 манипулятора (захват заготовок)
- 6 Захватное устройство №2 манипулятора (захват готовых деталей)
В рассматриваемом примере автоматизации производства, последовательность действия исполнительных элементов ГПМ в период загрузки технологического цикла и в процессе штатной работы оборудования несколько отличаются между собой. Поэтому было принято решение начать разработку имитационной модели производственного процесса с построения циклограммы штатной автоматической работы ГПМ. Детальное описание и хронометраж событий модели приведены ниже:
(Код исполнительного элемента | Символ события | Продолжительность | Описание события)
3 | t1 | 10 сек | Перемещение к токарному патрону
6 | t2 | 5 сек | Захват готовой детали устройством №2
2 | t3 | 5 сек | Захватное устройство патрона разжато
3 | t4 | 10 сек | Отвод в промежуточную позицию
4 | t5 | 5 сек | Разворот: захваты №1 горизонтально, захваты №2 вертикально
3 | t6 | 10 сек | Перемещение к токарному патрону
2 | t7 | 5 сек | Захват заготовки устройством патрона
5 | t8 | 5 сек | Захватное устройство №1 разжато
3 | t9 | 10 сек | Отвод в промежуточную позицию
3 | t10 | 10 сек | Перемещение к свободной ячейке кассеты
6 | t11 | 5 сек | Захватное устройство №2 разжато
3 | t12 | 10 сек | Отвод в промежуточную позицию
4 | t13 | 5 сек | Разворот: захваты №1 вертикально, захваты №2 горизонтально
3 | t14 | 10 сек | Перемещение к заготовке в кассете
5 | t15 | 5 сек | Захват заготовки устройством №1
3 | t16 | 10 сек | Отвод в промежуточную позицию
1 | t17 | 300 сек | Выполнение обработки детали на станке
Как отмечалось выше, все циклы автоматической обработки деталей замкнуты. Поэтому их построение может быть начато с любого действия любого исполнительного элемента ГПМ. С целью примера, как можно автоматизировать производство участка металлообработки, выберем в качестве условной точки начала технологического цикла момент окончания токарной обработки детали. В этой точке исполнительные элементы ГПМ имеют следующие позиции:
- Патрон токарного станка остановлен; его захватное устройство удерживает готовую деталь «i»;
- Манипулятор находится в промежуточной позиции; его захватное устройство №2 установлено горизонтально в положении «РАЗЖАТО»; захватное устройство №1 установлено вертикально и удерживает следующую по ходу выполнения производственной партии заготовку «i+1».
На первом этапе моделирования автоматизации производства металлообрабатывающего участка был разработан технологический цикл, включающий в себя последовательные действия исполнительных элементов. ГПМ работает следующим образом. После окончания токарной обработки манипулятор подъезжает к патрону токарного станка; и захваты №2 зажимают готовую деталь «i», а захваты патрона ее разжимают. Затем манипулятор с готовой деталью отъезжает в промежуточную позицию и разворачивается относительно оси О2-О2 на 180°. В результате разворота заготовка «i+1» в захватном устройстве №1 оказывается в горизонтальном положении. После этого манипулятор подъезжает к патрону токарного станка, «передает» ему заготовку «i+1» и отъезжает в промежуточную позицию.
Далее манипулятор приближается к кассете, помещает готовую деталь «i» в свободную ячейку, отъезжает в промежуточную позицию, разворачивается относительно оси О2-О2 на 180°, вновь подъезжает к кассете и фиксирует новую заготовку «i+2» в захватах №1. Затем манипулятор возвращается в промежуточную позицию и останавливается в режиме ожидания.
После этого начинается операция обработки заготовки «i+1» на токарном станке. Циклограмма производственного процесса приведена на рис. 2. Из циклограммы следует, что время цикла выполнения детали на ГПМ Тгпм равно суммарному времени работы его исполнительных элементов
Σti: Тгпм = Σti.
Рис. 2. Структурная схема базового цикла обработки детали на ГПМ
Не только автоматизировать производство, но и повысить эффективность технологического цикла можно за счет совмещения во времени действий исполнительных элементов, решающих раздельные задачи в процессе одного технологического цикла.
Было отмечено, что часть перемещений манипулятора 3 (рис. 1) может производиться одновременно с процедурой обработки детали на токарном станке. Станок может начинать обработку заготовки «i+1» сразу после того, как манипулятор с готовой деталью «i» отъехал от патрона в промежуточную позицию. В усовершенствованном технологическом цикле (рис. 3) все перемещения манипулятора, направленные на складирование готовой детали «i» в кассету и подготовку новой заготовки «i+2» выполнялись параллельно с обработкой заготовки «i+1» в токарном станке. Как видно из циклограммы, комбинированная обработка детали на токарном станке продолжительнее действий манипулятора, поэтому часть времени до окончания работы станка манипулятор находился в режиме ожидания с подготовленной заготовкой «i+2», зафиксированной в захватах №1.
Сравним суммарное время работы исполнительных элементов гибкого автоматизированного участка (ГАУ) Σti и время цикла выполнения детали на ГПМ Тгпм. Расчет показал, что проведенное нами совершенствование технологического цикла, при автоматизации производства, позволила сократить его продолжительность примерно на 15%: Σti=420 с.; Тгпм=365 с.
Рис. 3. Структурная схема оптимизированного цикла ГАУ
На последнем этапе разработки модели штатный технологический цикл был экстраполирован на период загрузки ГПМ (рис. 3). Цикл был дополнен событием t0 (команда «Старт») и последующими действиями t0…t05, предназначенными для выведения исполнительных элементов ГПМ в положение, обеспечивающее ее запуск:
(Код исполнительного элемента | Символ события | Продолжительность | Описание события)
- | t0 | - | Старт
3 | t01 | 10 | Отвод в промежуточную позицию
4 | t02 | 5 | Разворот: захваты №1 вертикально, захваты №2 горизонтально
2 | t03 | 5 | Захватное устройство патрона разжато
6 | t04 | 5 | Захватное устройство №2 разжато
5 | t05 | 5 | Захватное устройство №1 разжато
