3.4.1. Оптимизация перемещений материалов
Современная производственная инфраструктура оснащается системой транспортирования, охватывающей все рабочие станции и гибко реагирующей на изменения в системе производства и плане размещения оборудования. С ее помощью обеспечивается получение и возврат размещаемых в складах предметов труда, перемещение их в заданном направлении с заданной скоростью, перекладка (в случае необходимости) с одних транспортных средств на другие, установка доставленных грузов на приемные устройства с заданной точностью, транспортирование изготовленных изделий на склад готовой продукции, производственных отходов - в места их накопления или переработки, а использованных инструментов и технологической оснастки - на пункты контроля и подготовки для дальнейшего применения. Транспортные связи охватывают межцеховые, межучастковые и межоперационные грузопотоки и все элементы перемещений, включая ориентацию и установку заготовок и деталей на паллеты или их укладку в контейнеры, съем изделий, кассетирование и т.д.1
Создание единой системы транспортирования и складирования предполагает автоматизацию установки заготовок на станках. Габариты, масса и форма заготовки (и способ ее установки в соответствии с технологией обработки) определяют выбор крепежной оснастки и способа доставки. Наибольшее распространение при обработке корпусных деталей получила паллетизация. В этом случае заготовки поступают в центральный склад или на площадку завода поштучно (тяжелые и большого габарита заготовки) или уложенные в межзаводскую тару - контейнеры (средние и мелкие заготовки). Поштучно или в контейнерах заготовки доставляются на ГПС, где их устанавливают на паллеты, как правило, вручную. Заготовки типа тел вращения подаются в контейнерах к станкам
332
или в магазинах, в которые укладывают вручную или роботом. Могут использоваться и паллеты, когда на них круглые заготовки устанавливаются вертикально на торцовых поверхностях.
Сборка приспособлений на паллетах, установка на них заготовок и снятие готовых деталей производятся вручную. С точки зрения автоматизации это самый отсталый участок ГПС, который требует механизации ручного труда с учетом эргономики и техники безопасности, а также с учетом обеспечения необходимой гибкости обмена информацией между оператором и управлением ГПС.
В случаях обработки деталей большими партиями и при ограниченном разнообразии одновременно обрабатываемых видов деталей на участках установки заготовок может использоваться автономное управление, контролирующее всю необходимую информацию об обрабатываемых деталях и их транспортирование к станкам. При обработке деталей мелкими сериями и значительном разнообразии одновременно обрабатываемых видов деталей используется управление от центральной ЭВМ.
Кодирование паллет может выполняться вручную с пульта управления или автоматически. Для кодирования используются цифровые коды, когда каждой детали, фазе обработки, последовательности переходов, операций даются числовые номера. Информация последовательно дополняется в код по мере прохождения заготовки по ГПС так, что система управления постоянно знает о месте нахождения и состоянии обработки каждой детали в ГПС и при необходимости может адресовать поступающие заготовки на соответствующий станок с учетом оптимизации загрузки каждого станка системы.
Паллетизация обеспечивает надежную связь между различными модулями ГПС и способствует интеграции управления производством в части организации технологического и межцехового заводского транспорта. Дальнейшее совершенствование, повышение эффективности паллетизации будет зависеть от разработки и стандартизации рядов унифицированных паллет, бесконтактных кодов и считывающих устройств.
Основная задача создателей средств перемещения материалов по производственным помещениям состоит в обеспечении их гибкости и автоматизации. С применением различных средств транспорта, работающих без водителей, создаются относительно сложные
333
системы транспортирования, отличающиеся высокой степенью автоматизации [73, с. 33]. Автоматические транспортные средства - неотъемлемая часть гибкого автоматического производства. Гибкость средств перемещений характеризуется универсальностью их использования (для любых целей и грузов), автономностью перемещений по заданному маршруту и гибкостью самого маршрута [137, с. 522].
Применяются различные системы транспортирования заготовок, деталей, узлов (с использованием подвесных и роликовых конвейеров, монорельсовых дорог, погрузчиков, напольных тележек с автоматическим управлением и др.). Основное различие их, как правило, состоит в степени ограничений, которые накладываются ими на маршрут перемещений. Минимальные ограничения имеют свободно перемещающиеся робокары, для направления движения которых используются светодатчики и белая полоса - маршрут на полу цеха или индуктивные датчики и направляющий кабель в полу цеха.
В случае использования автоматических напольных транспортных роботов одни тележки служат для подачи заготовок со склада на рабочие места, а затем готовых деталей - с рабочих мест на склад, другие - доставляют со склада на рабочие места инструмент и оснастку и возвращают их обратно. Последние могут также транспортировать контейнеры на участок сбора и переработки стружки.
С целью расширения возможностей робокаров создаются новые модели, оснащенные грузоподъемниками и имеющие возможность отклоняться на отдельных участках от установленного маршрута, т.е. двигаться самостоятельно вне зоны действия индуктивного кабеля, проложенного в полу, или белой полосы.
Например, в разработке швейцарской фирмы "Шиндлер Диджитроп" в зоне свободного перемещения робокар управляется бортовой микроЭВМ, в памяти которой находятся данные о длине пути и кривой движения робокара. По окончании свободного перемещения робокар автоматически возвращается на маршрут, заданный индуктивным кабелем.
Фирма "Вагнер" (ФРГ) создала робокар, отходящий от индуктивного кабеля на расстояние до 6 м. В настоящее время эта фирма работает над созданием робокаров с перемещением без кабеля на более длительные расстояния.
Гранфилдский институт технологии (Великобритания) разработал робокар модели "Графт". Робокар этой модели имеет три
334
колеса, одно из которых управляемо. Система ориентации - двухступенчатая; грубая ориентация, основанная на принципе одометрии, осуществляется с помощью датчика обратной связи по отсчету пройденного пути; точная - с помощью инфракрасных и ультразвуковых датчиков. На каждой рабочей позиции происходит корректировка (ввод) программы движения робокара с помощью инфракрасных датчиков.
В Великобритании Национальной инженерной лабораторией также создана система, обеспечивающая управление робокарами с помощью телевизионных камер, техники дистанционного управления, сбора данных о местонахождении робокаров, двух- и трехразмерного преобразования данных, моделирования посредством ЭВМ и передачи информации инфракрасным излучением. Лаборатория предлагает систему робокаров, работающих на участке, находящемся в поле сканирования телевизионной камеры. Робокары управляются от центральной ЭВМ таким образом, что позиция инфракрасных излучающих диодов на каждом робокаре постоянно синхронизируется, и информация о скорости и направлении корректируется с центральной ЭВМ. Инфракрасные излучающие диоды на каждом робокаре должны быть в пределах видимости телекамеры фоторезисторного типа, которая передает координаты местонахождения робокара в ЭВМ. Информация, полученная от робокара, трансформируется и сопоставляется с общей схемой перемещения, ЭВМ вырабатывает новые инструкции о направлении и скорости, которые поступают в передающую систему. Инструкции кодируются в виде импульсных моделированных инфракрасных сигналов и передаются на всю рабочую зону. Они принимаются определенным робокаром и преобразуются в изменение скорости и направления движения. Управляющая ЭВМ дает команду на отключение инфракрасных излучающих диодов заданного робокара и включение диодов следующего робокара. Затем операция повторяется.
В настоящее время широко применяется технология зонального управления робокарами, основанная на подчинении управляющих блоков всех зон транспортной системы центральной вычислительной машине. Такой метод предусматривает последовательный контроль продвижения и операций на робокарах по мере их прохождения через территориальные зоны системы.
335
Опыт эксплуатации робокаров позволяет систематизировать требования, предъявляемые к их конструкции. Робокары должны иметь:
Преимущества автоматических напольных транспортных тележек заключаются в их универсальности и гибкости, возможности обслуживания значительного объема оборудования при различных планировках, простоте смены трассы при перестановке оборудования и возможности выполнения разнообразных транспортных операций. Однако использование таких тележек сдерживается повышенными требованиями к поверхности пола (уклон не более 1°, отсутствие впадин и загрязнений) на участках их перемещения, необходимостью обеспечения автономного электропитания, недостаточно высокой точностью позиционирования.
Применение робокаров требует увеличения расстояний между оборудованием для их маневрирования, а также предполагает более сложное управление порядком подачи заготовок к станкам, так
336
как фактически создается хаотическая ситуация и появляется необходимость принятия решений в процессе транспортирования.
Гибкость маршрута - это главное преимущество робокаров1. Они позволяют подавать заготовки на каждый станок прямо со склада. К тому же робокары легко допускают модификацию схемы движения, удлинение маршрута транспортирования при установке дополнительных станков и оборудования (направляющего кабеля в полу цеха или других направляющих, организующих движение устройств). На борту робокаров имеются микропроцессоры, движение легко программируется и управляется от центральной ЭВМ. Скорость перемещения 10-70 м/мин; они легко перемещаются в узких проходах (боковой зазор около 100 мм), их движение безопасно для операторов.
Робокары несомненно имеют будущее. Если они еще требуют специальных устройств вне робокара для автоматического направления их движения, то в будущем распространение получат такие способы, при которых определение направления движения не будет зависеть от внешних устройств, что обеспечит действительно свободное перемещение робокаров по сложной "географии" цехов и всего завода. Например, развитие может получить ориентация движения робокаров по азимуту с расчетом величины перемещений ЭВМ и с использованием радиолокатора и других средств.
Выбор схемы движения и конструкции робокара зависит от технических и экономических факторов, а также ограничивается возможностями существующего оборудования предприятия, которые должны увязываться с возможностями нового оборудования.
К техническим факторам относятся наличие и число мест и площадей для загрузки и транспортирования, выбранная степень автоматизации, скорость погрузки и транспортирования, надежность
337
работы, необходимость иметь или не иметь резервы для расширения производства, различные данные потока материалов. К экономическим факторам - объем капиталовложений, стоимость производственных площадей, эксплуатации, обслуживания и ремонта, рентабельность. Ограничениями по цеху являются уже имеющиеся транспортно-загрузочные средства в других цехах, вид существующего межцехового транспорта, отсутствие свободных производственных площадей, принятые правила техники безопасности и др.
Новые требования предъявляются к производственным помещениям. Переход к использованию робокаров в существующих зданиях требует учета максимально разрешаемой нагрузки на пол, знания заглублений балок, других несущих конструкций, которые не должны нарушаться при прокладке индуктивного кабеля, устранения разного уровня полов на одном этаже (ступеньки и др.), изменения размещения и изменения дверных проемов и устранения других ограничений. При планировании новых помещений учитывают заданную принятой системой транспорта ширину проезжей части, размещение мест загрузки и разгрузки, учитывают возможность организации двустороннего движения робокаров, альтернативных маршрутов, чтобы избегать заторов, размещение точек связи станций с робокарами и др.
Следует отметить следующие преимущества использования робокаров в организации и интеграции материальных потоков:
338
Управление робокарами может осуществляться централизованно и децентрализованно. Оба подхода имеют как преимущества, так и недостатки.
Преимуществом централизованного управления является то, что все команды от центральной ЭВМ к каждому робокару передаются по средствам навигации, если же требуются какие-либо дополнительные средства связи, то это становится недостатком этой схемы. Преимуществом централизации управления является также го, что в ЭВМ имеется информация в реальном времени о местонахождении каждого робокара.
Преимуществом децентрализованного управления является то, что каждый робокар управляется станцией (подстанцией), на участке которой она находится, что упрощает описание карты маршрута вокруг каждой подстанции. Имеет место более надежная информация о местонахождении каждого робокара, так как он сам сообщает о себе центральной ЭВМ по ее запросу.
Если связь осуществляется по радио, то при централизованной системе недостатком является ограниченное число робокаров (не более десяти), которыми можно управлять на каждой частоте, кроме того, требуется более мощная ЭВМ, разрешение на использование той или иной частоты, к тому же стоимость радиоуправления высокая.
Недостатком централизации управления при использовании принципов одометрии является накопление суммарной ошибки движения по всему маршруту за счет возможного проскальзывания и неточности окружности колеса, неровностей пола и др., что требует дополнительных устройств исправления накопленной ошибки.
Недостатком децентрализованного управления является, например, большое число подключений к подстанциям управления, что снижает надежность всей системы.
Управление робокарами осуществляется серией команд. Команды о направлении движений, которые получает робокар, представляют собой набор инструкций, описывающих, каким образом
339
транспортный робот должен двигаться от точки связи, в которой он находился в данный момент, к следующей точке связи. Это описание движения может содержать в себе требование выполнения перехода от одной частоты управляющих сигналов на другую, изменение скорости движения робота, изменение направления движения и т.д.
Робокар интерпретирует получаемые команды, сообщает о переходе в режим завершения задания, о выполнении задания, своем местонахождении; анализирует маршрут по ходу движения, избегает столкновения со случайными предметами, считывает задания кодов по маршруту движения и в позициях остановок и др.1
Представление о правилах движения, которые закладываются в управляющую программу робокара, может дать следующий свод: весь маршрут (сеть) делится на участки, на которых может находиться только один робокар; рабочее место может вызвать доставку очередной заготовки (детали) только в случае:
Наряду с напольными роботами в ГПС применяются также подвесные транспортные роботы, на базе которых могут быть созданы роботизированные кран-балки. Они отличаются от подвесных
340
конвейеров тем, что могут дополнительно манипулировать грузами, выполнять ориентацию, укладку, перестановку, а при соответствующем исполнении - полное обслуживание основного технологического оборудования.
Монорельсовые транспортные роботы обеспечивают подачу заготовок со склада на рабочее место и транспортирование обработанных деталей на склад, обслуживают станки инструментом и оснасткой и удаляют контейнеры со стружкой.
Использование подвесных транспортных роботов не требует дополнительных производственных площадей. С их помощью можно выполнять разнообразные транспортные операции на значительных расстояниях и с различной разветвленностью.
К недостаткам таких транспортных средств относятся ограниченная их грузоподъемность, жесткость трассы и сложность ее перестановки, необходимость привязки к обслуживаемым рабочим местам, зависимость расстановки оборудования от расположения транспортной трассы. Кроме того, усложняется использование мостовых кранов в зоне работы подвесных транспортных роботов.
Роботизированные кран-балки могут выполнять разнообразные операции по транспортированию грузов и обслуживанию оборудования, размещенного на большой площади. Такие устройства обладают гибкостью, универсальностью, не требуют дополнительных площадей, могут работать в сочетании с другими роботами. Однако их использование усложняет применение цеховых грузоподъемных средств (мостовых кранов).
В транспортных связях ГПС могут быть применены также различные системы подвесных (толкающих, цепных) и напольных (ленточных, пластинчатых, рольганговых) конвейеров. Перспективны конвейеры с воздушной подушкой и линейными электродвигателями, в которых практически отсутствуют подвесные части механизмов.
Для работы перечисленных транспортных средств в автоматическом режиме необходимо наличие вспомогательного транспортного оборудования: ориентаторов, накопителей, толкателей, сбрасывателей, адресователей, подъемных и поворотно-координатных столов, подъемщиков, перегружателей, питателей. Потребность в них определяется выбранными транспортными схемами.
Наметилась тенденция к применению специализированных автомобилей, оборудованных приспособлениями для погрузочно-разгрузочных
341
работ. Четко прослеживается связь погрузочно-разгрузочных устройств с участками приема грузов по принципу "рампа-производство", причем используются различные переходные уравнивающие мостики для погрузки и разгрузки транспортных средств.
Проектирование всей транспортной сети и оптимальный выбор транспортных средств являются сложной задачей. В целом по предприятию перемещаются не только заготовки, детали и узлы, но и инструмент, измерительные приборы, оснастка, смазочный материал, стружка и др., что значительно меняет вид и частоту доставки.
Для проектирования, анализа и нахождения оптимального варианта создается функциональная модель для определения и анализа процесса отработки правил перемещений. Алгоритм такой системы связывает различные виды станций получения груза, станций ожидания порожних робокар, а также таких операций, как ориентация в движении, смена позиции, изменение количества, сепарация и сбор вместе, изменение последовательности, синхронизация в соответствии с событиями и т.д.
Совмещение в единую интегрированную систему динамики изменений всех необходимых перемещений и динамики самих производственных процессов является трудной оперативной задачей, решение которой стало возможно только на основе компьютеризации управления и координации связей различных подразделений по горизонтали. В этих условиях применяют имитационное моделирование, которое успешно помогает решать эти сложные задачи.
342