Создание функционально-гибкого оборудования

Традиционные "жесткие" методы и средства автоматизации без замены или существенной переделки не могут быть использованы при изменении объекта производства, что делает их, с одной стороны, невыгодными в условиях переменного по номенклатуре производства, а с другой — превращает "жесткие" средства автоматизации в своего рода тормоз технического прогресса, так как сложность перехода на другой объект производства в этом случае способствует продолжению выпуска устаревших изделий. Повышение уровня автоматизации переменного по номенклатуре сварочного производства возможно, прежде всего, на основе быстрого развития гибких автоматизированных производств.

Пути повышения функциональной гибкости технических решений сварочного оборудования ниже рассматриваются применительно к автоматизированным технологическим комплексам дуговой сварки (ТКДС) как основного способа сварки металлов. При этом имеются в виду следующие две особенности автоматизации технологических операций с применением дуговой сварки.

1. Вследствие невысокой точности изготовления свариваемых элементов и их сборки под сварку, а также тепловой деформации свариваемой конструкции возникают случайные отклонения положения линии сопряжения и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от расчетных (программных). При обработке резанием траектория движения инструмента относительно изделия и режимы резания первичны, а форма и размеры обработанного изделия вторичны, тогда как при сварке форма, размеры и положение заготовок первичны, а траектория инструмента и режимы сварки вторичны, зависимы от случайных отклонений формы, размеров и положения свариваемых заготовок. Эти случайные отклонения требуют (в тех случаях, когда ими нельзя пренебречь) применения методов и средств автоматической корректировки траектории движения сварочного инструмента относительно изделия и параметров режима сварки индивидуально для каждого экземпляра изделия данного типа.

2. Большинство видов дуговой сварки может выполняться вручную или с применением шланговых сварочных аппаратов (полуавтоматов), представляющих собой, по существу, механизированный инструмент невысокой стоимости. Автоматизированные ТКДС имеют стоимость в десятки, а иногда в. сотни раз большую, чем ручной или механизированный инструмент, что обусловливает применение в ТКДС наиболее производительных сварочных процессов и приемов сварки, поиска возможно более простых типовых технических решений.

Автоматизированные ТКДС по уровню гибкости могут быть объединены в четыре группы [15] (рис. 2.3, табл. 2.2). Первый уровень гибкости предусматривает применение методов и средств автоматической корректировки программы (АКП) работы ТКДС, т. е. корректировки траектории перемещения сварочного инструмента относительно изделия и (или) параметров процесса сварки индивидуального для каждого экземпляра сварной конструкции данного типа.

Наличие в ТКДС признаков первого уровня гибкости расширяет возможности их применения, позволяя производить автоматическую сварку со значительными случайными отклонениями положения линии сопряжения и геометрических параметров соединения, подготовленного под сварку, от расчетных (программных) значений. Иными словами, гибкость на первом уровне — это гибкость по отношению ко всем экземплярам данного изделия, имеющим случайные отличия один от другого. При отсутствии у оборудования такого уровня гибкости и наличии случайных отклонений, превышающих допустимые смещения оси горелки от линии соединения, автоматическая сварка без участия человека невозможна.

Второй уровень гибкости предусматривает применение программного управления (ПУ), исключающего, как правило, необходимость изменения конструктивной и схемной частей ТКДС при сварке различных сварных конструкций. Гибкость на втором уровне — это гибкость по отношению к изделиям различного исполнения, в пределах достаточно широкой группы или класса, что зависит от уровня универсальности ТКДС и его системы ПУ. Числовое программное управление (ЧПУ), основанное на методах и средствах вычислительной техники, в наибольшей степени обеспечивает такую гибкость автоматического оборудования, при которой переход от одних изделий к другим производится с минимальным участием человека или без него.

Рис. 2.3. Классификация ТКДС по уровням гибкости: по структуре формулы гибкости 4—3—2—1, в которую вместо номера уровня гибкости подставляется буква Ж при жестком решении на данном уровне и буква Г — на гибком

Третий уровень гибкости предусматривает создание многоцелевых универсальных машин вместо одноцелевых (специальных). На многоцелевых сварочных установках можно сваривать изделия различного исполнения, разных групп и даже близких классов. История развития большинства технических средств является историей конкуренции и компромиссов между принципами универсальности и специализации. Если в "домикропро-цессорную" эру новым типом технологического оборудования вначале были универсальные машины, а затем широкий ряд специализированных моделей, обычно построенных на основе агрегатно-модульного принципа, то с внедрением в производственную практику микропроцессорного управления усиленно создавалось технологическое оборудование, и особенно его системы управления, универсальное с точки зрения конструктивно-схемных (аппаратных) решений и специализированное с точки зрения ориентации математического и программного обеспечения на выполнение поставленной задачи.

При ориентации на гибкую технологию и организацию производства возрастает значение многоцелевых технических решений, несмотря на то, что в ряде случаев их осуществление требует значительно больших затрат. Создание многоцелевых технологических машин вместо одноцелевых может быть целесообразно с точки зрения требования экономии ресурсов, необходимых для разработки и изготовления многоцелевого оборудования, которое может быть применено для решения ни одной, а ряда задач. В этом случае экономический эффект достигается благодаря как тиражированию разработок, так и повышению серийности оборудования, позволяющего снизить себестоимость изготовления каждой машины.

Четвертый уровень гибкости предполагает агрегатно-модульное построение технологического оборудования и решение новых задач, особенно на этапе его создания, путем структурно-переменного синтеза. Комплект модулей для построения сварочного оборудования по степени интеграции (объединения) функций в одном модуле можно, в свою очередь, разделить на пять групп [15]:

• нулевая — детали и покупная элементная база;
• первая — однофункциональные модули для выполнения одной функции, например, однокоординатный модуль прямолинейного перемещения, блок управления одним приводом;
• вторая - многофункциональные модули для выполнения нескольких функций, например, двухкоординатный суппорт, несущий сварочную горелку;
• третья — самостоятельные изделия как составные части ТКДС, например манипулятор (вращатель) изделия, сварочный аппарат, комплект сварочного оборудования для роботизированной сварки, устройство программного управления;
• четвертая — технологические модули — комплексы технических средств, способные выполнять автоматическую сварку. Технологическими модулями могут быть: колонна с выдвижной штангой и закрепленной на ней сварочной головкой в комплекте с источником питания и средствами управления; робот (манипулятор сварочного инструмента) с комплектом программно-управляемого сварочного оборудования; закрепленная в рабочем положении сварочная головка с вращателем (для сварки кольцевых швов).

Модули первой — четвертой групп могут быть получены сочетанием модулей, относящихся к любым предыдущим группам или как функционально неделимая конструкция. Модули перечисленных групп (особенно четвертой) могут в определенной мере обладать признаками гибкости первого — третьего уровней. Наиболее важное значение для технологических модулей (четвертой группы) имеет гибкость второго уровня — оснащенность средствами числового программного управления. Технологический модуль с развитым ЧПУ, обладающий свойством автоматизированной переналадки, называют гибким технологическим модулем.

Основой гибкого технологического модуля (ГТМ) для дуговой сварки обычно является промышленный робот (манипулятор сварочного инструмента с ПУ), оснащенный программно-управляемым сварочным оборудованием со всеми автоматическими сервисными устройствами, включая средства автоматической очистки горелки от брызг. Такие модули являются основой для построения роботизированных технологических комплексов дуговой сварки (РТКДС), гибких производственных модулей (ГПМ) и гибких производственных систем (ГПС). Последние в зависимости от принципа построения и состава технических средств могут иметь вид гибких автоматических линий, участков и цехов. Действительно, дополнением ГТМ манипуляторами получают РТКДС. Следует отметить, что тип и грузоподъемность манипуляторов изделия существенно зависит от конструктивных особенностей и техники сварки конструкций данного типа. Поэтому требуемое разнообразие типов манипуляторов изделия значительно больше требуемого разнообразия ГТМ. Так как структура РТКДС зависит и от организации производственного процесса, то число вариантов РТКДС может быть еще больше.

Объединяя несколько ГТМ общей транспортной системы, например, конвейером с последовательной передачей изделий от одного ГТМ к другому, получают гибкую автоматизированную линию (ГАЛ). Дополнением ГТМ манипуляторами изделия и средствами автоматической подачи деталей на сварку и автоматического вывода сваренных конструкций из рабочей зоны создают ГПМ, которые наряду с ГТМ могут быть основой для построения ГПС самых разнообразных конструкций.

Оптимальный выбор комплекта модулей для создания технологического оборудования представляет собой сложную научно-техническую задачу, предусматривающую возможность компоновки как большинства известных конструкций технологического оборудования данного типа, так и прогнозируемых их вариантов. Готовый модульный комплект требует в дальнейшем значительных трудовых затрат для его конструкторской поддержки и сопровождения с целью постоянного обеспечения соответствия его технического уровня непрерывно возрастающему мировому. В частности, больших усилий требует доработка комплекта, связанная с обновлением элементной базы и покупных изделий.

Большая трудоемкость разработки и конструкторской поддержки комплекта модулей для сварочных машин, станков и установок, а также относительно небольшой объем выпуска сварочных установок (по сравнению, например, с выпуском металлорежущих станков) являются причинами того, что доля агрегатномодульных конструкций сварочных установок не так велика, какой она могла бы быть. В сварочных аппаратах, объем выпуска которых существенно больше, применение агрегатномодульных решений значительно шире.

Следует отметить, что вместе с этим не исключается целесообразность применения в ряде случаев жестких одноцелевых станков и установок, функционально неделимых конструкций и комплексов технологического оборудования, жестких (непрограммных) средств автоматизации, ТКДС без автоматической корректировки программы. Выбор между жесткостью и функциональной гибкостью технических решений определяется характером и организацией производства, типом и конструктивными особенностями изделий, способом сварки и многими другими факторами и должен иметь технико-экономическое обоснование. Однако гибкая организация технологии и оборудования все чаще оказывается более целесообразной.

2.2. Классификация способов повышения функциональной гибкости по уровням ТКДС