Автоматизация технологических процессов сварочного производства

Курс руководства Российской федерации на широкое развитие доступного ипотечного жилья определяет необходимость повсеместного внедрения именно дешевого жилья, производство которого возможно в основном и в первую очередь за счет применения крупнопанельных технологий.

На заседании правительства 20 марта 2006 года Первый заместитель председателя правительства РФ Дмитрий Медведев особо отметил важность и необходимость возрождения крупнопанельного домостроения (КПД), которое, в свою очередь, базируется на промышленных предприятиях и цехах по производству железобетонных конструкций (ЖБК) и изделий (ЖБИ).

Это предполагается решить на базе научно-технических достижений, их широкого внедрения в промышленное производство. При этом очень важно придавать особое значение внедрению прогрессивных технологических процессов и оборудования, предусматривать меры по обеспечению полной загрузки имеющихся производственных мощностей предприятий стройиндустрии, в то же время, не упуская из внимания решение задачи по повышению уровня технологичности и автоматизации, сокращению их энерго-, материалои трудоемкости [2].

Одним из важных факторов, влияющих на повышение технологического уровня различного рода объектов, зданий и сооружений, в том числе, автодорожного назначения, является совершенствование арматурного производства. На его долю приходится 12−14% трудозатрат. Здесь заняты десятки тысяч рабочих, которые перерабатывают 1,5−2 миллиона тонн стали ежегодно. Арматурное производство является самым энергоемким и механовооруженным на предприятиях по производству ЖБИ и ЖБК. Несмотря на это выработка на одного рабочего в среднем по стране колеблется от 40 до 50 тонн стали в год [38,89]. В то же время на отдельных предприятиях она достигает 100 тонн. Это свидетельствует о наличии существенных резервов снижения трудоемкости и увеличения производительности труда в арматурном производстве.

Разработкой и внедрением передовых технологических решений в арматурное производство занимались многие институты, конструкторские бюро и другие предприятия и организации. Развитию арматурного производства посвятили свои труды многие ученые и инженеры: Бродский А. Я., Евгеньев И. Е., Мадатян С. А., Носенко Н. Е., Прыкин Б. В., Воронов Ю. И., Катин Н. И., Кобринский Г. С., Колодий В. П., Королев В. В., Кудрявцев Ю. И., Рожнденко М. Д., Фридман A.M., Волков Л. А., Голубев А. В., Горгачев В. Г., Дыховичная Н. А., Ерманок Е. З., Залуцкий Б. М., Зборовский Л. А., Люшин И. Г., Петров Д. М., Соломонович М. А., Цымбалюк А. А. и другие.

В результате выполненных исследований и разработок в арматурное производство широко внедрены такие виды сварки, как контактная точечная, рельефная, под слоем флюса и стыковая. На этой основе была освоена новая техника по сварке сеток и каркасов, стыкования стержней различными способами, сварка закладных деталей. Были разработаны и внедрены в производство высокопроизводительные станки-автоматы для правки, резки и гнутья арматуры.

Арматурное производство в России по оснащенности машинами и механизмами приблизилось к машиностроительному. Были созданы механизированные и автоматизированные установки и линии по производству сеток, каркасов и объемных изделий, созданы и внедрены штампованные закладные детали. Ведутся активные работы по внедрению роботов и манипуляторов в строительство, в том числе и в арматурное производство, работают роботизированные линии по изготовлению штампованных закладных деталей [96]. Одновременно совершенствовалось и само армирование в направлении сокращения расхода стали, повышения его технологичности и снижения трудозатрат при изготовлении. Созданы и внедряются новые виды армирования: эффективного, дискретного, из гнутых каркасов, модульного, стекповолокнистого, со штампованными фиксаторами и другое.

Значительный вклад в развитие техники и технологии переработки арматуры вносят изобретатели и рационализаторы: Болычев А. Н., Гдалевич В. Н., Глобучек В. Г., Глухарёв К. А., Дехов A.M., Донец С. Г., Заяц Д. Д., Клюйко А. Г., Минкин Б. Р., Мурашкин И. И., ОвчинниковЮ.Н., Самовский И. М., Тупиков А. Ф., Федосов В. П. и др. Однако в настоящее время доля ручного труда при переработке арматуры составляет пока около 40%. Анализ трудозатрат показывает, что значительная часть (около 43%) этих трудозатрат приходится на укрупнительную сборку арматуры [53]. Столь крупные доли затрат вызваны рядом причин, среди которых главными являются конструктивное несовершенство, недостатки технологии изготовления и сборки элементов армирования. К настоящему времени преимущественное развитие получил стендовый способ изготовления изделий с применением вертикальных, горизонтальных и других установок, который применяют на большинстве предприятий. Отдельные, наиболее передовые из них используют конвейерную технологию изготовления объёмных арматурных каркасов (ОК). Стендовая технология получила широкое распространение, прежде всего из-за того, что для неё используются компактные вертикальные и горизонтальные установки. Оборудование, используемое при конвейерной технологии, предусматривает изготовление арматуры преимущественно в горизонтальном положении, вследствие чего оно занимает большую площадь, чем при стендовой технологии. В тоже время при конвейерной технологии не требуются дополнительные площади для промежуточного межоперационного хранения элементов арматурных изделий. Следует отметить, что дальнейшее совершенствование конвейерной технологии позволит сократить площади, занимаемые оборудованием. Таким образом, становится неправомочным утверждение о том, что стендовая технология требует меньших площадей.

Стендовая технология позволяет добиться интенсификации труда рабочих. Однако труд электросварщиков арматурных сеток и каркасов тяжёлый, монотонный и непривлекательный. Анализ работы арматурных цехов на предприятиях, использующих стендовую технологию изготовления арматуры и достигших наивысшей производительности труда (ДСК-1 в г. Москве, Подольский ДСК и др.) показывает, что совершенствование стендовой технологии за счёт увеличения интенсификации труда рабочих не может привести ни к конечному увеличению производительности труда рабочих, ни к коренному увеличению производительности труда, так как темп сварки, выполняемой преимущественно с использованием ручного труда, сравним с темпом автоматизированных сварочных машин. Роботизация и автоматизация процесса сборки на стендовых установках из-за ручной раскладки заготовок и чрезвычайно широкой их номенклатуре представляет собой сложную техническую задачу. В тоже время при обследовании ряда заводов ЖБИ выяснилось, что использование конвейерной технологии даёт значительные преимущества. Так, сравнение затрачиваемого времени по сопоставимым видам работ при изготовлении арматуры плит перекрытий показывает существенное сокращение (на 50%) числа операций при конвейерной технологии. В пересчёте на равную мощность сокращается число сварочных машин МТМК-ЗхЮО и МТ-1818 на 50%, правильно-отрезных станков на 30%. На конвейерных линиях значительно сокращены транспортные затраты. Необходимость повышения эффективности и производительности труда, снижения трудоёмкости и доли ручного труда в арматурном производстве, наличие указанных преимуществ обусловили появление тенденции перехода от стендовой технологии изготовления объемной арматуры к конвейерной.

В последнее время на ряде предприятий КПД внедряют такую технологию переработки арматуры, в которой исключены промежуточные операции правки и резки поперечных и продольных стержней сеток и каркасов, петербургским заводом «Электрик» спроектирована, изготовлена и на Обуховском заводе ЖБК ДСК-2 была внедрена автоматизированная линия, предназначенная для изготовления объемных арматурных каркасов (ОК). В тоже время при анализе действующих конвейерных линий выявлены недостатки, снижающие их эффективность. К ним относятся: большой объём ручного труда, связанный с раскладкой стержней и каркасов, выполнение основных операций в неудобных для рабочих положениях, в некоторых случаях увеличенный расход стали на объёмные каркасы. Не изучены возможности сварочных машин, комплектующих линии по изготовлению объёмных каркасов различными способами из сталей широкого сортамента. На некоторых конвейерных линиях применяется дуговая сварка, которая ухудшает качество каркасов и санитарно-гигиенические условия труда рабочих. В связи с этим становится понятным необходимость провести специальные исследования как в области развития конвейерной технологии, так и определения рациональных границ ее применения.

Вопросам исследования технологии арматурного производства посвящены работы [22, 23, 29, 31, 32, 43, 51, 54, 60, 71−76, 82−84, 86, 89, 97, 103], в которых даны рекомендации по определению технологичности конструкций, отражён процесс совершенствования сварочного оборудования, в том числе клещей подвесных машин. В работе [100] исследуется эффективность сварочного оборудования с различной компоновкой входящих в него агрегатов. В некоторых работах.

3, 6, 7, 10, 14−16, 20, 25, 43, 80] помещены сведения об устройстве в принципах действия новых технологических линий.

Эти работы охватывают обширный перечень вопросов, касающихся совершенствования арматурного производства. Но вопросам развития конвейерной технологии уделено недостаточное внимание. Недостаточно уделяется внимания выявлению закономерностей формирования эффективных технологических решений, постановке оптимизационных задач несмотря на перспективность такого направления научных исследований [19]. Указанные исследования проводились применительно к организации формовочного производства на стадии проектирования новых и реконструкции действующих предприятий. В результате был предложен комплексный метод поиска, оценки и выбора технических решений, с помощью которого был осуществлён выбор технологических линий по производству конструктивных элементов для новых и реконструируемых предприятий, зданий и сооружений, в т. ч. автодорожного назначения. Этот метод был положен в качестве аналога при анализе существующих и возможных схем организации процесса производства арматуры для конструкций различного назначения.

Особый интерес представляет применение сварки в создании автодорожных объектов, что определяется повышенными требованиями к надёжности ответственных конструкций и безопасности автодорожных сооружений в целом.

В настоящей работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов, имеющих наибольшее распространение при сварке объемных арматурных каркасов.

Широкие технологические возможности предлагаемых методов представляются особенно актуальными для создания системы технических решений, необходимых для внедрения в практику эффективных методов и средств конвейерной технологии сварки ОК.

Целью настоящей работы является качественное совершенствование и повышение эффективности конвейерной технологии изготовления объёмных арматурных изделий КПД для заводов разной мощности, с решением вопросов оценки и выбора рациональной технологии арматурного производства на промышленных предприятиях на основе автоматизированных методов, участвующих в производственных и эксплуатационных процессах.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• проведен анализ существующих технологических линий и участков для производства объёмных арматурных каркасов плит перекрытий, панелей внутренних стен, а также способов их сварки;

• разработана методика оценки и выбора наиболее перспективных технических решений технологических линий для внедрения в промышленное производство;

• проведена оценка возможности применения серийных сварочных машин для работы в составе технологических линий по изготовлению объёмной арматуры, определены необходимые режимы и параметры режимов сварки объёмной арматуры;

• разработаны технические предложения по совершенствованию технологического процесса изготовления объёмных арматурных каркасов плит перекрытий и панелей внутренних стен;

• выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований технологических процессов, имеющих наибольшее распространение при производстве ЖБК и ЖБИ;

• исследованы свойства технологических режимов и оборудования для сварки объемных арматурных каркасов (СОАК), как объектов автоматизированного управления;

• разработаны методики определения и классификации номенклатуры оборудования и технологии процесса СОАК на основе автоматизированной системы;

• разработана информационная система автоматизированного поиска оптимального сочетания параметров технологического процесса СОАК;

• выбраны технические средства контроля качества производимых сварочных работ;

• разработано специализированное программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор и обработку информации о ходе технологического процесса СОАК, оценивать текущее эксплуатационное состояние элементов оборудования и технологии;

• выполнена экспериментальная проверка полученных результатов;

Научная новизна диссертации состоит в теоретической и практической реализации автоматизированных методов структурного и функционального наполнения технологии СОАК.

Новизна полученных научных результатов состоит :

• в разработке классификации технологических линий и оборудования для изготовления объёмных арматурных каркасов плит перекрытий и панелей внутренних стен по способу выполнения операций укрупнённой сборки и подвода сварочного тока;

• в определении факторов влияния качества арматурных сеток и каркасов (соблюдение нормативных величин шагов и выпусков поперечной арматуры и относительной осадки свариваемых стержней) на стабильность работы оборудования, установлении характера изменения силы сварочного тока и потребляемой мощности серийных широкосеточных машин при различных способах изготовления объёмных арматурных каркасов плит перекрытий и панелей внутренних стен, а также выявлении и эксперементальном подтверждении указанных машин для сварки объёмной арматуры;

• методики автоматизированного выбора вариантов технологии и оборудования, применяемого для реализации процесса СОАК;

• специального программного обеспечения информационной системы сбора и обработки данных для автоматизации технологических процессов СОАК;

Существующие условия труда рабочих и производительность действующего оборудования и технологии не удовлетворяют возросшим требованиям, что подтверждает актуальность поставленных автором работы целей и задач исследования, предусматривающих коренное совершенствование технологии арматурного производства.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты анализа технологии и технических средств обеспечения СОАК, позволившие выработать научный подход и методические основы разработки информационной системы управления процессом сварки на основе современных методов и средств автоматизации.

2. Информационная система автоматизированного поиска оптимального сочетания параметров технологического процесса и оборудования СОАК.

Практическая значимость работы.

Полученные в диссертации результаты позволяют производить оперативный контроль эксплуатационного состояния объемных арматурных каркасов, планировать сроки и объемы производства сварочных работ, обеспечивать надзор за выполнением производственных программ. Опытная эксплуатация разработанного математического, информационного и программного обеспечения, полученные с его помощью результаты, подтвердили его высокую эффективность для решения поставленных задач. Внедрение результатов исследований с использованием предлагаемой в работе технологии, основанной на совмещении операций, обеспечивает качественное изготовление объемных каркасов. При этом производительность производства OAK увеличивается на 30% и снижение затрат за счёт экономии расходуемых энергоресурсов и используемых технологических материалов на 5%. Информационная система сбора, обработки данных и мониторинга параметров технологического процесса СОАК позволяет осуществлять контроль качества сварки арматурных каркасов.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:

• На научно-методических конференциях МАДИ (ГТУ) (20 032 006г.);

• На заседании кафедры «Автоматизированных систем управления» МАДИ (ГТУ).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в12 печатных работах.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, общих выводов, приложения и списка литературы. Работа изложена на 190 страницах машинописного текста, содержит 32 таблицы и 59 рисунков.

Список литературы

включает 110 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ.

1. Оценена целесообразность выбора инструментальных средств для создания информационной системы для автоматизации технологического процесса сварки OAK, который позволил определить минимальные затраты ресурсов вычислительной системы для функционирования информационной системы.

2. В результате проектирования и разработки информационной системы предложена программная реализация. Основополагающим фактором при разработке информационной системы стало функциональное разделение управляющего воздействия на поступающую информацию для проведения технологического процесса. Данная декомпозиция системы организует работу как эксперта при проведении СОАК, так и обычного пользователя системы.

3. Одним из технических речений, обеспечивающих качественную сварку ОК и не приводящих к усиленному износу электродов, является способ приварки каркасов под углом 28−33° к горизонту с последующим обжатием ОК и отгибом каркасов-фиксаторов до проектного положения.

4. Показано, что эффект от внедрения ИС повлиял только на количественные показатели деятельности, такие как производительность, затраты и качество работы промышленного предприятия. Применение модели оценки эффективности планирования работ на предприятии с применением ИС позволило оценить динамику работы предприятия. Таким образом, качественным результатом является снижение трудозатрат посредством совершенствования управления производством, основываясь на выделенных ключевых параметрах информационной системы.

5. Проведенные исследования подтвердили важность и необходимость соблюдения нормативных геометрических параметров арматурных изделий в условиях автоматизированного изготовления ОК.

6. Качество сварки пересечений арматуры в рабочих сетках ОК, изготовленных на модернизированной машине АТМС, удовлетворяет сформулированным требованиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Основой совершенствования технологии изготовления объемной арматуры изделий КПД на горизонтальных конвейерных линиях и стендовых установках, которые рекомендуются для применения на стадиях проектирования, реконструкции и технического перевооружения домостроительных предприятий, является совмещение операций укрупнительной сборки арматурных элементов, унификация геометрических параметров сеток и каркасов, а также учёт взаимного влияния конструкций изделий и технологии их изготовления с преобладающим значениям конструктивных решений армирования.

2. Рациональные технические решения технологических линий выявлены с помощью предложенной в работе методики выбора и оптимизации технологии производства объемных арматурных каркасов. При этом основными техническими решениями, направленными на совершенствование технологических линий, являются такие, которые способствуют повышению их производительности и снижению расхода и стоимости стали объемного каркаса.

3. Наиболее перспективно создание технологических линий, оснащённых механизмами укладки продольных стержней и каркасов-фиксаторов величины защитного слоя бетона, устройствами для штампования фиксаторов из продольных проволок, преимущественно для вертикальных способов формования изделий, сварочными узлами с т промежуточными электродами и механизмами для отгиба каркасов-фиксаторов в проектное положение после приварки их под углом к горизонту, которые обеспечивают изготовление объемных каркасов высокой степени готовности. Применение этих решений позволило достигнуть реальной производительности технологических линий более 10 объемных каркасов плит перекрытий в час.

4. При использовании рекомендуемых схем двухстороннего подвода сварочного тока с промежуточным электродом и нижним электродом, снабженным пазом, запас мощности сварочных трансформаторов составляет 40 процентов, что показывает на возможность применения существующих серийных широкосеточных машин после незначительной модернизации. При этом темп сварки объемных каркасов из стали d=8 A-III и d=10 A-III может достигать — 450 точек в час на один электродный узел.

5. Предлагаемая в работе технология, основанная на совмещении операций, обеспечивает качественнее изготовление объемных каркасов. Важнейшим условием повышения качества и технологичности объемной арматуры является стабилизация величины шагов поперечных стержней сеток и каркасов-фиксаторов. Это достигается за счет регулировки механизмов подачи свариваемой арматуры с обеспечением относительной погрешности средней арифметической шагов, не превышающей ±0,5 процента. Одним из технических решений, способствующим стабильности шагов поперечной арматуры может быть оснащение механизмов подачи зажимными устройствами, исключающими проскальзывание подаваемой арматуры.

6. В условиях автоматизированного изготовления объемных каркасов возрастают требования к соблюдению нормативных геометрических параметров арматурных элементов. При проектировании изделий необходимо соблюдать кратность шагов поперечной арматуры сеток и каркасов, равную 50 мм. Величина шагов поперечной арматуры каркасов рекомендуется равной 300 мм.

При сочетаниях основного и доборного шагов поперечной арматуры сеток, равных 200 мм и 150 мм, а также 200, мм и 100 мм расстояния между осями первых по ходу изготовления поперечных стержней сеток и каркасов должно быть равна 50 мм, а при сочетаниях шагов сеток в 150 мм и 100 мм, а также 250 мм и 150 мм это расстояние должно быть равна 100 мм. Соответственно должны проектироваться свободные концы сеток и каркасов.

7. Основные научные результаты и технические решения, изложенные в диссертационной работе, были апробированы на ряде предприятий с участием автора. Внедрение их позволило увеличить производительность труда на технологической линии по изготовлению арматуры плит перекрытий в 3 раза, на участке изготовления балконной части плит перекрытий — в 2 раза, а по всему участку объёмной арматуры плит перекрытий на 30 процентов. При этом было высвобождено 10 человек рабочих, на 293 тонны был снижен расход стали. Там же внедрена автоматизированная линия изготовления унифицированньх гнутых Г — образных каркасов для панелей внутренних стен, а также участок укрупнительной сборки этих каркасов. По предварительным расчетом это принесёт экономию металла не менее 200 т в год.

8. Существующая технология сварки объемных арматурных каркасов на предприятиях не позволяет обеспечить оптимальный режим процесса. Повышение качества проводимых работ возможно только с использованием автоматизированной системы сварки арматурных каркасов с учётом специфических особенностей применяемого оборудования.

9. Разработан критерий оценки выбора технологических режимов сварки объемных арматурных каркасов и вариантов проектирования автоматизированной технологии сварки.

10. Разработана методика оптимизации технологического процесса СОАК с использованием специального оборудования, технологии и информационной системы сбора и обработки массивов данных.

11. Проведено моделирование данных задания режимов и параметрических характеристик реализации автоматизированной системы, включающее в себя описания массивов данных и алгоритмов технологического процесса СОАК.

12. На основе предложенной архитектуры информационной системы разработано и внедрено программное обеспечение, включающее в себя набор фильтров и алгоритмов коррекции поступающей информации, инструменты автоматизированной и ручной обработки данных, систему поиска и хранения информации в базе данных.

13. Внедрение системы автоматизации процесса СОАК с использованием специфических моделей обработки массивов данных, алгоритмов задания режимов сварки, позволило повысить качество проводимых работ.

14. Экспериментальные исследования подтвердили результаты, полученные теоретическим путём.