Автоматизация в машиностроении. Роль автоматизации машиностроения в развитии современного производства

Федеральное агентство по образованию РФ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Технология и автоматизация машиностроения»

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

(конспект лекций)

Разработал Архаров А.П.

Тверь 2006

Введение. Роль автоматизации машиностроения в развитии современного производства

Данная научная дисциплина возникла в нашем государстве в двадцатых годах прошлого века в связи с быстрым ростом отечественного машиностроения. Ее развитию способствовал широкий круг советских ученых и инженеров и новаторов производства. Возникновение ее базировалось на трудах П.Л. Чебышева, И.А. Тиме и других ученых, а также в советское время ученых - технологов: Соколовского, Кована, Маталина, Балакшина, Новикова. Дальнейшее формирование и развитие этого предмета отражено в трудах И.И. Артоболевского, В.И.Дикушина, А.П. Владзиевского, Л.Н. Кошкина, Г.А. Шаумяна и других отечественных ученых.

Автоматизация производственных процессов - одно из направлений развития народного хозяйства. Это связано с тем, что автоматизация производства открывает неограниченные возможности для производительности общественного труда. Кроме повышения производительности труда она облегчает и коренным образом меняет характер труда, делает его творческим, стирает разницу между умственным и физическим трудом.

Механизация и автоматизация позволяет повысить качество продукции и безопасность и коэффициент использования оборудования, а в некоторых случаях интенсифицировать режим работы оборудования.

Проблема автоматизации производства выдвигает также социально-экономические вопросы. В современном обществе автоматизация производства это средство получения максимальной прибыли и орудие борьбы с конкурентами. Эти и ряд других положительных факторов заставляют обращать серьезное внимание на механизацию и автоматизацию.

Реальный экономический эффект, получаемый в результате механизации и автоматизации, во многом зависит от того, в каких конкретных условиях и для решения каких производственных задач используются средства и методы механизации и автоматизации. На механизацию и, особенно, автоматизацию машиностроительного производства необходимы значительные капитальные затраты. Если объект автоматизации выбран удачно, эти затраты окупаются быстро. В короткие сроки достигается высокая экономическая эффективность, а если идти по пути «сплошной» автоматизации, то вместо экономии можно получить убытки. Поэтому каждый специалист-машиностроитель должен иметь четкое представление о технических возможностях средств механизации и автоматизации и уметь правильно их выбирать в каждом конкретном случае с наибольшей эффективностью.

2. Основные понятия и определения: механизация, автоматизация, единичная и комплексная механизация и автоматизация. Стадии автоматизации

Механизацией называется направление развития производства, при котором физический труд рабочего, связанный с выполнением производственного процесса или его составных частей, передается машине. Примерами механизации являются: использование патронов с пневматическим и гидравлическим приводом, вместо обычного винтового перемещения кулачков вручную с помощью ключа; перемещение пинолей задних бабок токарных станков, быстрый подвод суппорта или стола станка с помощью электро-, пневмо- или гидросуппортов. Механизация облегчает труд рабочего. При этом действия, направленные главным образом на управление производственным процессом, остаются за рабочим. Они включаются в цикл работы машины. Механизация может быть либо частичной, либо полной или, как ее называют, комплексной.

Частичная механизация - это механизация части движений, необходимых для осуществления производственного процесса: либо главного движения, либо вспомогательных и установочных движений, либо движений, связанных с перемещением изделий с одной позиции на другую.

Полная или частичная механизация - механизация всех основных, вспомогательных, установочных и транспортных движений, которые выполняются по ходу производственного процесса. При комплексной механизации обслуживающий персонал осуществляет только оперативное управление производственным процессом, включение и выключение в нужные моменты требуемых механизмов и управление режимом и характером их работы.

Дальнейшее развитие механизации приводит к автоматизации производства. Т.е. автоматизация- это такое направление развития производства, при котором человек освобождается не только от тяжелого физического труда, но и от оперативного управления механизмами или машинами.

Различается частичная и комплексная автоматизация. Понятие «частичная автоматизация» связывается с осуществлением автоматизации только одного структурного компонента из числа всех систем. Например, автоматизация отдельных элементов общего цикла работы станков. Примеры этого вида автоматизации: оснащение станков загрузочными устройствами, автоматизация подвода и отвода суппорта, стола, хранение, а также уборка стружки и т.д., т.е. оснащение устройствами, частично автоматизирующими управление и обслуживание станков. Если же говорить в целом о технологическом процессе, то например, автоматизирована одна из десяти операций. Комплексная автоматизация характеризуется переводом обработки деталей, например, со станков общего назначения на автоматические линии, пролеты, цехи, а также автоматические заводы. Для этого направления характерна непрерывность обработки, причем автоматизируются обработка деталей, их контроль, транспортирование, учет, хранение, а также уборка стружки и т. д.

Примером комплексно-автоматизированного производства может служить производство подшипников качения на ГПЗ, где изготовление подшипников, начиная от заготовки и заканчивая контролем и упаковкой, выполняется комплексом автоматизированного оборудования.

При комплексной автоматизации кроме ранее перечисленных преимуществ, свойственных автоматизации вообще, обеспечивается возможность непрерывной работы в едином потоке. Отпадает потребность в промежуточных складах, сокращается длительность цикла производства, упрощается планирование производства и учет производимой продукции. Здесь наиболее полно и эффективно сочетаются два принципа - автоматизация и непрерывность производственного процесса. Комплексная автоматизация производства - радикальное и решающее средство повышение производительности труда и качества продукции, снижение ее себестоимости.

Степень автоматизации производственных процессов может быть различной. Различают три стадии автоматизации .

На первой стадии автоматизации рабочий полностью освобождается от физического труда (во время работы машины), включая труд по управлению производственным процессом. Он осуществляет первоначальную наладку машины, наблюдает за машиной и устраняет отклонения от нормальной ее работы. Первая стадия автоматизации обеспечивается разомкнутой системой автоматического управления (не имеющей обратных связей). Примером может служить: токарно-револьверные автоматы, токарные многошпиндельные автоматы, и другие станки и машины с кулачковыми механизмами. Кулачок в этом случае обеспечивает определенную последовательность, направление, величину и скорость перемещения исполнительных органов.

Во второй стадии автоматизации используются замкнутые автоматические системы управления с обратными связями, которые не только обеспечивают выполнение заданной программы, но и автоматически, без вмешательства рабочего регулируют и поддерживают нормальные условия работы машины. Труд рабочего в этом случае сводится в основном к первоначальной наладке машины. Взять, к примеру, токарную обработку длинных валов. При токарной обработке износ резца приводит к увеличению диаметра обработки, и если прибором активного контроля измерять диаметр обработки и по результатам этих измерений автоматически вводить поправку в настройку станка (перемещать резец в нужном направлении), то будем иметь САР, которая поддерживает нормальные условия работы.

Отличительной чертой третьей стадии автоматизации является способность системы управления выполнять логические операции для выбора оптимальных условий работы машины. Помимо устройств с обратными связями такие системы управления имеют устройства для решения логических задач (счетно-решающие машины), позволяющие выполнять работу при оптимальных условиях с учетом переменности внешних и внутренних режимов работы машины. Такие машины являются самоуправляющими. Например, станки с подключенной к ней ЭВМ, оптимизирующие обработку по признаку минимальной шероховатости, или же обеспечивающие максимальный съем металла.

3. Понятия и определения: автомат, полуавтомат, ГПС, автоматическая линия

Автоматом называют рабочую машину (систему машин), при осуществлении технологического процесса на которой, все элементы рабочего цикла (рабочие и холостые ходы) выполняются автоматически. Повторение цикла осуществляется без участия человека. В простейших автоматах человек осуществляет наладку автомата и контролирует его работу. В более совершенных системах автоматически контролируется количество и качество изделия, регулируется и меняется инструмент, подаются исходные заготовки и материал, убирается стружка и др.

Полуавтоматом называют рабочую машину, цикл работы которой в конце выполняемой операции автоматически прерывается. Для возобновления цикла (пуск полуавтомата) необходимо вмешательство человека, который устанавливает и снимает заготовки, пускает станок и контролирует его работу, меняет и регулирует инструмент.

Термины и определения видов гибких производственных систем устанавливает ГОСТ 26228-84.

Гибкая производственная система (ГПС) - совокупность или отдельная единица технологического оборудования и систем обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах их характеристик.

ГПС по организационной структуре подразделяются на следующие уровни:

· гибкий производственный модуль - первый уровень;

· гибкая автоматизированная линия и гибкий автоматизированный участок - второй уровень;

· гибкий автоматизированный цех - третий уровень;

· гибкий автоматизированный завод - четвертый уровень;

По ступеням автоматизации ГПС подразделяются на следующие ступени:

· гибкий производственный комплекс - первая ступень;

· гибкое автоматизированное производство - вторая ступень.

Если не требуется указания уровня организационной структуры производства или ступеней автоматизации, то применяют обобщающий термин «гибкая производственная система».

Гибкий производственный модуль (ГПМ) - это гибкая производственная система, состоящая из единицы технологического оборудования, оснащенная автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса; автономно функционирующая, осуществляющая многократные циклы и имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня. Частным случаем ГПМ является роботизированный технологический комплекс (РТК) при условии возможности его встраивания в систему более высокого уровня. В общем случае в ГПМ входят накопители, приспособления, спутники (палеты, устройства загрузки и выгрузки, в том числе промышленные роботы (ПР), устройства замены оснастки, удаления отходов, автоматизированного контроля, включая диагностирование, переналадку и т.д.

Гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) - ГПС, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой управления, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.

Гибкий автоматизированный участок (ГАУ) - ГПС, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой управления, функционирующая по технологическому маршруту, в котором предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования.

Гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) – ГПС, представляющая собой совокупность гибких автоматизированных линий и (или) гибких автоматизированных участков, предназначенная для изготовления изделия заданной номенклатуры.

Гибкий автоматизированный завод (ГАЗ) – ГПС, представляющая собой совокупность гибких автоматизированных цехов, предназначенная для выпуска готовых изделий в соответствии с планом основного производства.

Приведенные определения не охватывают такие термины как: автоматическая линия, автоматический участок, цех, завод. ЭНИМС предлагает следующие определения:

Линия автоматическая (ЛА) – совокупность технологического оборудования, установленного в последовательности техпроцесса обработки, соединенного автоматическим транспортом и оснащенная автоматическими загрузочно-разгрузочными устройствами и общей системой управления или несколькими взаимосвязанными системами управления.

По ступеням автоматизации различают два вида ГПС :

Гибкий производственный комплекс (ГПС) – это гибкая производственная система, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой управления и автоматизированной транспортно-складской системой, автономно функционирующая в течение заданного интервала времени и имеющая возможность встраивания в систему более высокой ступени автоматизации.

Гибкое автоматизированное производство (ГАП) – ГПС, состоящая из одного или нескольких производственных комплексов, объединенных автоматизированной системой управления производством и транспортно-складской автоматизированной системой, и осуществляющая автоматизированный переход на изготовление новых изделий.

Организационно-технические предпосылки автоматизации

Основной областью применения ГПС является серийное многономенклатурное производство. Как видно из определений, каждый вид ГПС характеризуется тем, что может функционировать автономно, представляет собой технически законченное целое и имеет свою локальную систему управления, возможность встраивания в систему более высокого уровня. ГПС обладает также свойствами быстрой переналадки на изготовление новых изделий производственной номенклатуры.

Переналаживаемые автоматические линии групповой обработки нескольких заранее известных и аналогичных по конструкции и технологии изготовления деталей в условиях крупносерийного и массового производства не являются ГПС, т.к. на них не предусмотрена переналадка на новые детали.

Переналадка на таких линиях может быть ручной или автоматической. Как правило, переналадка производиться не более 1-3 раз в месяц. Общая годовая производительность такой линии 30-200 тыс. дет в год.

Ранее существовало преобладающее мнение, что автоматизация целесообразна и возможна лишь в массовом производстве, когда выпускается сравнительно большое количество однотипных изделий и работа протекает непрерывным потоком. Это обосновывалось тем, тем большие материальные затраты на сложное автоматическое оборудование и значительная продолжительность подготовки автоматизированного производства оправдываются при большей программе и удлиненных сроках выпуска продукции.

В настоящее время автоматизация в сравнительно больших масштабах применяется в массовом производстве. Условия для ее применения стремятся расширить унификацией, нормализацией и стандартизацией изделий, что приводит к увеличению качества и продолжительности их выпуска. Унификация и нормализация изделий и их элементов - важнейший этап дальнейшего развития автоматизации производства. При нормализации и стандартизации изделий создаются выгодные условия для внутри и межотраслевой специализации предприятий, что служит важной предпосылкой для дальнейшего развития автоматизации.

Для автоматизации процесса массового производства целесообразно более широкое применение комплексного оборудования, сочетающее технологические процессы изготовления деталей со складскими и транспортными операциями.

Автоматизация в серийном производстве крайне необходима, т.к. около 80 % всей продукции в машиностроении выпускается серийно. При автоматизации этого производства целесообразно на основе типизации технологических процессов создавать переналаживаемые одно - и многопозиционных станков. Групповая обработка и сборка – это основы автоматизации серийного производства.

В настоящее время большее внимание уделяется проблеме создания обычного и автоматического оборудования, собираемого из нормализованных агрегатов, узлов и деталей, обладающих свойством размерной и функциональной взаимозаменяемости. Это обеспечит сокращение сроков проектирования и изготовления станков и автоматических линий, снижает их стоимость, улучшает условия ремонта и модернизирует оборудование, а также упрощает задачу его использования при изменении объекта производства.

Автоматизация единичного и мелкосерийного производства также представляет собой важную и нужную задачу. Большой эффект может создать автоматизация выполнения сложных трудоемких операций механической обработки, сборки, сварки, контроля. В качестве средств автоматизации здесь используют станки и установки с ЧПУ. Особенно эффективна на этих станках обработка деталей со сложными профилированными поверхностями, с большим количеством точно координированных отверстий и большим количеством технологических переходов. При выполнении такой обработки на станках с ЧПУ отпадает необходимость в предварительном изготовлении копиров, кондукторов и другой оснастки.

Унификация – разновидность стандартизации, связанная с сокращением разнообразия элементов без сокращения разнообразия систем, в которых они применяются. При унификации уменьшается число выпускаемых типоразмеров изделий одинакового функционального назначения, максимально используют одинаковые сборочные единицы и детали, сокращают разнообразие применяемых в деталях подобных элементов (диаметров отверстий, размеров резьб и др.), а также обоснованно сужают перечень используемых в изделии марок материалов, разновидностей проката и т.п.

В результате номенклатура изготовляемых деталей уменьшается, а программа их выпуска возрастает. Появляется возможность применения более совершенных технологических процессов, снижается себестоимость изготовления деталей, сокращаются сроки на разработку и постановку изделий на производство. Унификация является одной из наиболее распространенных эффективных разновидностей стандартизации, она наиболее характерна для деятельности отдельных или родственных предприятий и производственных объединений. В то же время унификация широко осуществляется и в общегосударственном масштабе главным образом через установление в стандартах предпочтительных рядов и рекомендаций.

Типизация - разновидность стандартизации, заключающаяся в разработке и установлении типовых конструктивных или технологических решений для ряда изделий, составных частей, а также процессов, имеющих общие конструктивные или технологические характеристики. В отличие от унификации, типизация может решать задачи развития целой отрасли машиностроения. Примером является типизация технологических процессов, проводимая чаще всего по отраслям производства на основе классификации деталей и единой системы их кодирования.

Стандартизация - установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определенной области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности, для достижения всеобщей оптимальной эксплуатации (использования) и требований безопасности.

Применение принципов стандартизации при проектирования автоматических станочных систем

При зарождении автоматостроения каждый станок-автомат конструкторы создавали заново, т.е. соответственно поставленной задаче всякий раз проектировали приводы, исполнительные механизмы, элементы систем управления и т.д. При этом процесс проектирования был длительным, а разработанные конструкции иногда оказывались недостаточно работоспособными. С течением времени вырабатывались принципы стандартизации при проектировании автоматического оборудования, в основе которых лежит использование стандартных и унифицированных деталей, узлов и систем. В настоящее время применение стандартизации при проектировании реализуется в виде принципов базовых моделей и агрегатирования.

Сущность принципа базовых моделей заключается в том, что на их основе создаются одинаковые или близкие по назначению механизмы. Путем изменения размеров узлов базовой модели и конструкции некоторых из них создают ряд станков с разной степенью автоматизации для обработки деталей различных размеров. По этому принципу спроектированы гаммы одношпиндельных токарно-револьверных автоматов, токарных гидрокопировальных полуавтоматов, автоматических линий для обработки деталей подшипников. Внутри каждой гаммы механизмы одинакового назначения обычно различаются только габаритами, Сроки и стоимость проектирования значительно снижаются, а надежность станков и автоматических линий резко возрастают. Особенно часто принцип базовых моделей используется при конструировании полуавтоматов. Например, Минским СКБ АЛ на основе базовой модели-вертикального полуавтомата для патронных работ мод. 1734 - создана гамма полуавтоматов: для центровых работ, с расточной головкой, с револьверной головкой повышенной точности, с ЧПУ.

Сущность принципа агрегатирования состоит в том, что создаются гаммы унифицированных узлов, из которых компонуются станки и автоматические линии, различающиеся технологическим назначением, числом позиций, конструктивной сложностью. Унифицированные узлы должны обладать следующими свойствами:

1. Автономностью, для чего они снабжаются индивидуальными приводами и в машине связываются друг с другом с помощью электрической схемы, а не кинематически. Благодаря чему из унифицированных узлов можно создавать большее число вариантов машин.

2. Стандартными присоединительными размерами, что обеспечивает возможность соединения узлов с соседними узлами.

3. Необходимой точностью взаимного положения.

Унифицированные узлы (агрегаты) разрабатываются заранее, испытываются в лабораторных и производственных условиях и доводятся таким образом до нужного уровня качества.

В соответствии с поставленной задачей конструктор унифицированные узлы (агрегаты) выбирает из каталога и проектирует спецузлы, конструкция которых определяется обрабатываемой деталью - приспособление, инструментальную наладку и др.

В настоящее время по принципу агрегатирования строят гидравлические и электрические системы, агрегатные станки, автоматические линии из агрегатных станков, ПР, многоцелевые станки с ЧПУ, автоматизированные производственные участки с управлением от ЭВМ. Использование комплекта унифицированных узлов в пять раз и более сокращает объем конструкторских работ при проектировании, значительно сокращает трудоемкость, стоимость и сроки изготовления машин.

Производство унифицированных узлов является серийным, что позволяет применять передовую технологию при их изготовлении. Применяют для обработки разнообразных, в том числе сложных и ответственных деталей в условиях массового, крупносерийного производства тракторов, автомобилей, с/х машин, моторов и т.д.

Качество микросхем

(входной контроль 10–12 % микросхем – 1990 год, Томское объединение «Контур»)

Контрольные вопросы

1. В каких случаях автоматизация неэффективна в социально-экономическом плане?

3. Предложите основные разделы бизнес-плана для планируемой покупки и использования в цехе металлообработки токарного станка с системой ЧПУ.

4. Какие факторы являются определяющими для повышения качества и надежности выпускаемой продукции?

2. Автоматизация в машиностроении,
системы ЧПУ

Краткая классификация производственных систем следующая:

¨ производственная система – это сложная многоуровневая (иерархическая) система, которая преобразует исходные полуфабрикаты, сырье, материалы в конечный продукт, соответствующий общественному заказу;

¨ в более широком смысле: производство – это соединение ресурсов (сырья, капитала, труда и предпринимательской способности) для производства товаров и услуг;

¨ основа любого производства – технологический процесс (ТП) – определенное взаимодействие орудий труда, обслуживающей и транспортной систем;

¨ непрерывные ТП: химическая, нефтегазодобывающая и перерабатывающая, энергетика;

¨ дискретные ТП: машиностроение, раскрой материалов;

¨ непрерывно-дискретные ТП: металлургия, цементная, машиностроение и др.

За базу ТП и соответствующих систем автоматизации примем машиностроение. Именно машиностроение (процессы обработки металлов) наряду с ткацкой промышленностью первыми потребовали автоматизации. Машиностроение широко развито в Прикамье. Учтем, что системы автоматизации в различных отраслях
выполняются на единой технологической базе, по одинаковым
принципам.

Анализ технологических процессов в машиностроении показывает, что в общем цикле организации производства детали станочное время занимает в среднем не более 5 % (остальное – подготовка производства, транспортирование, пролеживание и т.д.). В ста-
ночном времени время обработки составляет только около 30 %
(остальное время позиционирование, загрузка, измерение, холостое время и др.).

Усилия, направленные на интенсификацию механической обработки, оказывают влияние лишь на небольшую часть в общем балансе цикла получения готового изделия. Тот же анализ показывает, что сокращение непроизводственных потерь времени возможно лишь на основе интеграции производства, которая позволяет, в принципе, довести станочное время в общем цикле изготовления до 90 %, машинное время в рамках станочного также до 90 %. При этом имеется в виду также интеграция производства, которая допускала бы непрерывную трехсменную эксплуатацию оборудования, в том числе и малолюдную ночную смену.

На рис. 2.1 показан баланс времени использования производственного оборудования, откуда следует, что наиболее мощным резервом повышения коэффициента использования оборудования является трехсменная работа.

Практика показала, что в принципе правильная идея – связать интеграцию с безлюдной технологией – достаточно трудноосуществима, поскольку требует решения целого комплекса сложных проблем. В числе этих проблем – резкое повышение надежности оборудования и систем управления на основе МП-х систем.

Объекты автоматизации в машиностроении:

¨ станки: токарные, фрезерные, сверлильно-расточные, шлифовальные, многоцелевые (обрабатывающий центр), зубообрабатывающие, электроэрозионные и др.;

¨ периферия станков: роботы, накопители палет, блоки инструментальных магазинов и др.;

¨ транспортные системы: робокары, конвейеры и др.

¨ накопительные системы: автоматизированные склады с кранами-штабелерами, станции комплектации и др.;

¨ вспомогательные системы: контрольно-измерительные машины, станции мойки-сушки и т.д.

Рис. 2.1. Баланс времени использования производственного
оборудования

Множество отдельных микропроцессорных систем автоматизации должны быть объединены в единую – локальную вычислительную сеть. C позиций производительности и гибкости системы автоматизации в машиностроении можно классифицировать по уровню гибкости и производительности (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Классификация системы автоматизации в машиностроении:
x – закрепленная за оборудованием номенклатура деталей (число партий);
y – число деталей в партии; 1 – универсальные станки с ручным
управлением; 2 – станки с ЧПУ; 3 – многооперационные станки;
4 – гибкие производственные модули (ГПМ); 5 – гибкие производственные участки (ГПУ); 6 – гибкие линии, цехи; 7 – автоматические линии

Таблица 2.1

Производство станков в основных странах-производителях

Необходимо иметь в виду, что количество станков в машиностроении в 1,5 раза больше числа станочников. Однако потребность в станках с ЧПУ на 1990 год была не удовлетворена (табл. 2.1).

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии автоматизированного

Машиностроения

Ю.Л.Апатов
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ (АППМ)

Конспект лекций для студентов специальности 120100 – «Технология

Машиностроения» дневной, заочной и ускоренной форм обучения.

^

Киров, 2001

Дисциплина «Автоматизация производственных процессов в маши-ностроении (АППМ)».

Составитель: к.т.н., доцент кафедры ТАМ Апатов Ю.Л.

1. Основные понятия и определения. Механизация и автоматизация производства. Автоматические и автоматизированные процессы и оборудо-вание. Степень автоматизации.

Механизация – начальная ступень при переходе от автоматизации производства, она направлена на замену ручного труда машинным, при этом в её основу положено применение отдельных устройств или приспособлений, а обьектом её служит отдельно взятая технологическая операция (меха-низированная сборка или использование пневмовинтовёрта).

^ Комплексная механизация – следующая ступень, заключающаяся в обхвате средствами миеханизации нескольких смежных техзнологических операций.

Автоматизация – савокупность мероприятий технологического и ор-ганизационного плана, направленная на эффективное управление техпроцес-сом механической обработки или сборки. При этом управлению подверга-ются режимы обработки, точность обработки, время выполнения операций и т.д., а обьектом управления является сам техпроцесс.

^ Комплексная автоматизация – высшая степень автоматизации, при ко-торой обьектом является не только техпроцесс, но и часть производственного процесса (испытания изделия, консервация, упаковка, транспортировка и т.д.).

Основным направлением современного развития автоматизации яв-ляется создание так называемых ГПС. В зависимости от степени автоматиза-ции процессы обработки деталей, да и само оборудованое подразделяют на две большие группы:

1 – Автоматизированные процессы – то есть такие процессы, которые управляются частично с использованием человека – оператора.

2 – Автоматические процессы – производимые без участия человека в качестве управляющего элемента.

2. Автоматы и полуавтоматы. Понятие о рабочем цикле. Автоматичес-кий рабочий цикл. Симметричный и асимметричный циклы, их применение.
В зависимости от степени автоматизации оборудования различают:

1 – Полуавтоматы – для их характерно применение ручной загрузки деталей на станок и использование полеавтоматического цикла работы (т.е. для повторения каждого рабочего цикла необходимо вмешательство опера-тора.

2 – Автоматы – для них характерна автозагрузка деталей и они реали-зуют автоматический цикл работы.

Рабочий цикл – отрезок времени, необходимый для срабатывания данного автомата, либо промышленного робата и т.д. при выполнении задан-ной программы. В простейшем случае он состоит из суммы времени на ос-новные технологические переходы, а также на вспомогательные перемеще-ния (инструмент относительно детали). Это так называемое неперекрывае-мое время.

Т ц = t o (м) + t в, (1)
где t o (м) – основное (или машинное) время работы машины. Оно за-трачивается непосредственно на обработку детали, т.е. на изменение её раз-меров, формы и состояния поверхности.

T в – вспомогательное (неперекрываемое)время, т.е. время когда обработка не производится. (Подвод инструмента к детали, установка детали на станке).

Схема рабочего цикла – характерристика рабочего цикла, она показы-вает порядок перемещения инструмента, характер перемещения (м/мин), а также величину этого перемещения (мм) при работе в автоматическом и по-луавтоматическом режиме.

Существует 4 схемы рабочих циклов:
1 – ^ Асимметричный рабочий цикл . Интрумент выполняет следующие
этапы:

Рисунок 1 – Асимметричный рабочий цикл в применении для операции сверления
Быстрый подвод. В этом случае сверло подходит к детали не касаясь её.

Рабочая подача.
РП = L + L 1 + L 2 (2)
Ускоренный возврат инструмента в исходное положение (быстрый отвод).
БО = РП + БП (3)
На рисунке 1 представлена схема обработки сверлением.

На схеме обозначено:

L – глубина обработки (толшина детали);

L1 – недобег инструмента, исключающий касания инструментом де-тали на ускореной подаче;

L2 – недобег, назначаемый для устранения возможных заусенцев на детали.

L1, L2 назначаются конструктивно в пределах 3-4 мм.

Указанный рабочий цикл находит наибольшее применение для таких операций как сверление, развёртывание, зенкерование и т.д.
^ 2– Симметричный рабочий цикл .
Цикл характерен для нарезания резьбы, причём перед началом медленного отвода предусматривается реверс вращения инструмента.

Примечание: схемы рабочих циклов позволяют перейти к определению времени выполнения данных переходов, зная величину подачи и величину перемещений. Рабочее перемещение назначается из техпроцесса. а само время выполнения переходов используется для расчёта времени рабочего цикла, а также в последствии для расчёта производительности станка.
РП = 20 БП = 20

МО =20 БО = 20

3 – Упрощеный рабочий цикл . Применяется в случаях, когда инст-румент удаётся расположить в непосредственной близости от конца детали.

4 – Сложный рабочий цикл . Применяется при сверлении глу-боких отверстий с периодическим отводом стружки за счёт перио-дического отвода сверла.

РП 1 = БП =

РП 3 =
БО 3 =
3. Эффективность автоматизации. Цель и задачи. Современное состо-яние и направление развития автоматизации.
Эффективность автоматизации заключается в следующем:

I – Повышается производительность механической обработки и сборки за счёт сокращения основного времени, а в большей степени – вспо-могательного.

II – Отмечается снижение трудоёмкости обработки деталей.

III – Повышается качество и однородность продукции, за счёт исключения субъективного фактора (влияния самого человека).

IV – Сокращаются занимаемые производственные площади за счёт сокращения проходов между станками и более полного использования объема здания (пространство между станками и над ними) (верхний транспорт).

V– Снижается себестоимость продукции за счёт зарплаты высвобо-ждающихся рабочих.

VI – Улучшаются условия труда, исключаются из техпроцесса утомительные и однообразные операции ранее выполнявшиеся в ручную.
Все выше перечисленные факторы являются целью мероприятий по автоматизации. К задачам автоматизации дополнительно относятся: автома-тизация транспортирования деталей, их контроль, складирование и т.п.

В настоящее время в машиностроении автоматизация получила наи-большее распространение прежде всего в крупносерийном и массовом произ-водстве (автомобиле- тракторостроение и т.д.). Последнее можно объяснить: относительной простотой оборудования, практически неизменной конструк-цией деталей и постоянством применяемой оснастки и инструмента.

В значительной степени отстаёт автоматизация мелко- и среднесерий-ного производства в следствие его особенностей. Индивидуальное или еди-ничное производство вообще не является на сегодняшний день объектом ав-томатизации. Значительные сложности при автоматизации представляет сбо-рочное производство, а именно:

I – непостоянство формы и размеров деталей поступающих на сборку (уплотнения и т.д.);

II – Чрезвычайно большое разнообразие деталей, входящих в изделие, это диктует необходимость проектирования большого числа устройств и ро-ботов.

III – Требуется очень высокая точность ориентации деталей перед их соединением.

IV – Недостаточная производительность существующих видов оборудования, которое неможет конкурировать с рабочим-сборщиком.

Современное производство большей частью (75 – 80%) является се-рийным производством. На процесс автоматизации в этих условиях влияют следующие факторы:

А – частая сменяемость деталей и конструкций изделия;

Б – постоянно сокращаются сроки выпуска этих деталей с одновре-менным увеличением номенклатуры.

Номенклатура - Количество типоразмеров деталей, проходящих через данную автоматическую линию.

В – Постоянно увеличивающиеся требования по точности деталей и качеству их обработки;

Г – Очень малая доля основного технологического времени в общем производственном цикле производства данной детали.

Рисунок 2 – Диаграмма распределения времени обработки деталей

Т1 – время всего производственного цикла получения деталей;

Т2 = Т1 ∙ 0,05 – среднее время нахождения детали на станке. Осталь-ное время расходуется на ожидание деталью очереди на обработку, транс-портировку, контроль и т.п. вспомогательные операции;

Т3 = Т2 / 3 – время непосредственно затрачиваемое на обработку де-тали, т.е. на изменение размеров и формы поверхностей, их взаимного распо-ложения и их механических свойств. Остальное время идёт на загрузку и раз-грузку детали на станок, на контроль без снятия детали со станка, на время управления станком и т.д.

Вывод: в современном производстве обьектом автоматизации могут служить не только основные технологические операции, но и все перечис-ленные вспомогательные операции. Причина – время Т3 уже предельно со-кращено и большого выигрыша при сокращении времени не даёт.
4. Пути повышения производительности труда в серийном производс-тве, особенности его автоматизации. Актуальность разработки ГПС, тре-бования, предъявляемые к ним со стороны техпроцесса.
Основным направлением автоматизации серийного производства яв-ляется создание ГПС. Их особенность в том, что это системы.состоящие из основного технологического оборудования и комплекта вспомогательного оборудования, а также переналаживемой оснастки, обьединённое общей сис-темой управления и предназначенное для получения деталей заданной но-менклатуры в заданном обьёме выпуска в заданные сроки и требуемого каче-ства. Среди ГПС выделяют две разновидности:

1 – ГАЛ – несколько единиц технологического оборудования (стан-ков) расположенных и связанных между собой транспортными устройствами строго в порядке выполнения операций.

Относительная простота конструкции таких линий.

Применяется переналадка станков на различные детали, что обеспе-чивает «гибкость» данной линии.

– Нет возможности изменить порядок обработки деталей на станках (низкая «маршрутная гибкость»)

Ст.№1

Ст.№n

2 – ГАУ – в этом случае станки расположены произвольно к мар-шруту обработки детали.

(+) Возможность изменить порядок использования оборудования (вы-сокая «маршрутная гибкость»). Этим достигается наиболее полная загрузка оборудования, а критерием выбора маршрута является минимальная перена-ладка станка.

(–) Большая занимаемая площадь (из – за)транспортных систем).

(–) Более сложные и дорогие транспортные средства (устройства).

В основе применяемого технологического оборудования для ГПС ле-жат станки с ЧПУ и промышленные роботы. Существуют более простые раз-новидности ГПС:

ГПМ – гибкий производственный модуль – одна единица технологи-ческого оборудования (многоцелевой станок), оснащённая устройством за-грузки и разгрузки деталей (промышленный робот), и имеется накопитель для заготовок (не большой ёмкости), комплект режущего инструмента (рас-положенный в магазине станка), необходимая оснастка (приспособления), контрольно-измерительные механизмы и устройства, устройства диагно-стики самого оборудования, общая единая система управления.

РТК – роботизированный технологический комплекс – одна единица промышленного робота, выполняющего основную технологическую опера-цию (сборка, сварка, зачистка и др. операции по виду инструмента), для этого он дополнительно оснащается: питателем заготовок, приспособлениями, за-хватным устройством, дополнительно ориентирующими механизмами, тре-буемым инструментом, общей системой управления (для этих функций чаще всего используют дополнительные «технологические» каналы системы управления роботом).
5. Основные количественные характеристики автоматизированных технологических процессов. Производительность механообработки и сборки. Разновидности и методика определения.

Механизация и автоматизация производственных процессов является одним из главных направлений технического прогресса. Цель механизации и автоматизации - облегчить труд человека, оставляя человеку функции обслуживания и контроля, повысить производительность труда и улучшить качество изготовляемых изделий.

Рис. 3.2. Манипулятор модели АШ-НЮ-1, используемый для механизации погрузочных операций, в том числе загрузки оборудования

Механизация - направление развития производства, характеризуемое применением машин и механизмов, заменяющих мускульный труд рабочего (рис. 3.2).

По степени технического совершенства механизация делится на следующие виды:

частичная и малая механизация, характеризуется применением простейших механизмов, чаще всего передвижных. Малая механизация может охватить части движений, оставляя немеханизированными многие виды работ, операций, процессов. К механизмам малой механизации могут быть отнесены тележки, простые подъемные средства и др.;

полная, или комплексная механизация, включает в себя механизацию всех основных, вспомогательных, установочных и транспортных операций. Этот вид механизации

характеризуется применением достаточно сложного технологического и подъемно-транспортного оборудования.

Высшей ступенью механизации является автоматизация. Автоматизация означает применение машин, приборов, аппаратов, приспособлений, позволяющих осуществлять производственные процессы без непосредственного участия человека, а лишь под его контролем. Автоматизация производственных процессов неизбежно связана с решением процессов управления, которые также должны быть автоматизированными. Отрасль науки и техники, которая решает системы управления автоматическим оборудованием, называют автоматикой. Автоматика основывается на управлении, контроле, сборе и переработке информации об автоматическом процессе при помощи технических средств - специальных приборов и устройств. Автоматизированная система управления (АСУ) основывается на применении современной электронно-вычислительной техники и электронно-математических методов в управлении производством и призвана способствовать повышению его производительности.

Автоматизация производственных процессов также делится на две части:

частичная автоматизация, охватывает часть выполняемых операций при условии, что остальные операции выполняются человеком. Как правило, автоматически выполняется непосредственное воздействие на изделие, т. е. обработка, а загрузочные операции заготовок и повторное включение оборудования производится человеком. Такое оборудование называется полуавтоматическим;

полная или комплексная автоматизация, характеризуется автоматическим выполнением всех операций, в том числе и загрузочных. Человек только заполняет загрузочные устройства заготовками, включает автомат, контролирует его действия, осуществляя подналадку, смену инструмента и удаление отходов. Такое оборудование называется автоматическим. В зависимости от объема внедрения автоматического оборудования различаются автоматические линии, автоматический участок, цех и завод.

Как показала практика, обыкновенные схемы автоматизации и комплексной автоматизации эффективно применяются только в крупносерийном и массовом производстве. В многономенклатурном производстве, где требуется частая переналадка потока, обыкновенные схемы автоматизации мало пригодны. Оборудование, оснащенное стационарными системами автоматизации, не позволяет переходить на управление с ручным режимом. Под обыкновенной схемой автоматизации подразумевают применение загрузочных устройств (склизов, лотков, бункеров, питателей и др.) и обрабатывающего оборудования, приспособленного для выполнения автоматических операций. Обработанные изделия удаляются с помощью устройства для приема обработанных изделий (склизы, лотки, магазины и др.).

Автооператоры и механические руки, давно применяемые в обыкновенных схемах автоматизации, послужили прототипами для нового вида автоматизации. Новый вид автоматизации с применением промышленных роботов (ПР) позволяет решить вопросы, которые не могут быть решены с помощью обыкновенных схем автоматизации. Промышленные роботы, по замыслу их разработчиков, предназначены для замены человека на опасных для здоровья тяжелых и утомительных работах. Они основываются на моделировании двигательных и управляющих функций человека.

Промышленные роботы решают сложные процессы сборки изделий, сварку, окраску и другие сложные технологические операции, а также загрузку, транспортировку и складирование деталей. Новый вид автоматизации имеет ряд качественно отличающих его от других видов свойств, дающих ПР значительные преимущества перед обыкновенными схемами:

высокие манипуляционные свойства, т. е. способность перемещать детали по сложным пространственным траекториям;

собственную систему привода;

систему программного управления;

автономность ПР, т. е. невстроенность их в технологическое оборудование;

универсальность, т. е. способность перемещать в пространстве изделия различного типа;

сопрягаемость с достаточно большим числом типов технологического оборудования;

переналаживаемость на различные сменяющие друг друга виды работ и изделий;

возможность отключения ПР и перехода на ручное управление оборудованием.

В зависимости от участия человека в процессах управления роботами их делят на биотехнические, автономные.

Биотехнические - это дистанционные копирующие роботы, управляемые чаловеком. Управление роботом может быть выполнено с пульта при помощи систем рукояток, рычагов, клавишей, кнопок или посредством «надевания» на руки, ноги или корпус человека специальных устройств. Эти устройства служат для воспроизведения движений человека на расстоянии с необходимым увеличением усилий. Такие роботы называются роботами-экзоскелетонами. Роботы полуавтоматического действия также относятся к биотехническим роботам.

Автономные роботы работают автоматически при помощи программного управления.

За относительно долгую историю развития робототехники создано уже несколько поколений роботов.

Роботы первого поколения (программные роботы) характеризуются жесткой программой действий и элементарной обратной связью. К ним обычно относятся промышленные роботы (ПР). В настоящее время эта система роботов наиболее разработана. ПР первого поколения делятся на универсальные, целевые ПР подъемно-транспортной группы, целевые роботы производственной группы. Кроме того, роботы распределяются на типоразмерные ряды, на ряды по максимальной производительности, по радиусу обслуживания, по числу степеней подвижности и т. д.

Роботы второго поколения (очувствленные роботы) обладают координацией движения с восприятием. Программа управления этими роботами осуществляется при помощи ЭВМ.

К роботам третьего поколения относятся роботы с искусственным интеллектом. Эти роботы создают условия для замены человека в области квалифицированного труда, имеют способности к адаптации в процессе производства. Роботы третьего поколения способны понимать язык, могут вести диалог с человеком, планировать поведение и др.

Осуществляя комплексную автоматизацию технологических процессов участков, цехов и заводов, создают роботизированные технологические комплексы (РТК). Роботизированныйтехнологический комплекс представляет собой совокупность технологического оборудования и промышленных роботов. РТК размещается на определенной площади и предназначается для одной или нескольких операций в автоматическом режиме. Оборудование, входящее в РТК, делится на оборудование обрабатывающее, обслуживающее и оборудование контроля и управления. К обрабатывающему оборудованию относится основное технологическое оборудование, модернизированное для работы с промышленными роботами. Обслуживающее оборудование содержит устройство для размещения деталей на входе в РТК, межоперационные транспортирующие ч накопительные устройства, устройства для приема обработанных изделий, а также промышленные роботы (рис. 3.3). Оборудование контроля и управления обеспечивает режим работы РТК и качество выпускаемой продукции.

Pиc. 3.3. Напольный робот с горизонтальной выдвижной рукой и консольным механизмом подъема ПР-4

Повышению эффективности применения промышленных роботов способствует рациональное сокращение номенклатуры ПР и улучшение их приспособляемости (адаптивности). Это достигается типизацией ПР. Производится всесторонний анализ производства, группировка объектов роботизации и установление типов и основных параметров ПР. Типизация ПР является основой для развития их унификации, которая должна быть направлена на обеспечение возможности создания роботов путем агрегатирования. Чтобы обеспечить принцип агрегатирования, производится стандартизация: 1) присоединительных размеров приводов, передаточных механизмов и датчиков обратной связи; 2) рядов выходных параметров приводов (мощностей, скоростей и т. п.); 3) методов связи устройств программного управления с исполнительными и измерительными устройствами.

Результатом работ по унификации ПР должно явиться создание их оптимального типажа и системы агрегатномодульного построения. Агрегатно-модульная система построения промышленных роботов - это совокупность методов и средств, обеспечивающих построение разных типоразмеров ПР кз ограниченного числа унифицированных узлов (модулей и агрегатов). Она позволяет использовать минимальное число серийно выпускаемых функциональных узлов, которые выбирают по специальным промышленным каталогам. Это дает возможность в многономенклатурном производстве быстро перестроить роботизированные системы машин на выпуск новой продукции. На базе ПР с агрегатно-модульным построением основывается гибкое автоматизированное производство (ГАП).

Планирование внедрения механизированного и автоматизированного оборудования связано с анализом производства. Анализ производства сводится к выявлению ряда условий, которые способствуют применению этого оборудования. Анализу не подлежит производство, связанное с применением тяжелого ручного труда. Механизация и автоматизация тяжелого ручного труда является первостепенной задачей и не зависит от результатов экономического расчета.

Проектирование механизации и автоматизации технологических процессов необходимо начинать с анализа существующего производства. Во время анализа выясняются и уточняются те особенности и специфические отличия, на базе которых выбирается тот или иной тип оборудования. Предпроектная стадия разработки механизации и автоматизации производственных процессов включает в себя решение ряда вопросов.

1. Анализ программы выпуска изделий включает в себя изучение: годовой программы выпуска изделии, стабильности и перспективы выпуска; уровня унификации и стандартизации; специализации и централизации производства; ритмичности производства; грузооборота (грузооборот представляет собой общую массу прибывающего и отправляемого груза - для погрузочных операций). Необходимо запомнить, что эффективность механизации и автоматизации процесса в большой степени зависит от программы выпуска изделий. Устройства механизации и автоматизации в массовом и мелкосерийном производстве будут значительно различаться.

2. В анализ технологического процесса изготовления изделий, подлежащего механизации и автоматизации, входит: определение пригодности технологического процесса для механизации и автоматизации; выявление недостатков действующего технологического процесса; определение трудоемкости основных и вспомогательных операций;

сравнение действующих режимов изготовления с режимами, рекомендуемыми в справочниках; анализ применения групповой технологии; разделение технологического процесса на классы.

К первому основному классу относятся процессы, которые требуют ориентации заготовки (детали) и характеризуются наличием обрабатываемого инструмента. Эти процессы свойственны основной номенклатуре изделий, которые изготовляются резанием, давлением или собираются, контролируются и т. п. Ко второму основному классу относятся процессы, которые не требуют ориентации заготовки (детали), в них вместо обрабатывающего инструмента используют рабочую среду. К ним относятся термическая обработка, галтовка, мойка, сушка и т. п.

К первому переходному классу относятся процессы, которые требуют ориентации заготовки (детали), но инструмент отсутствует, и его роль выполняет рабочая среда; нанесение местных покрытий, контроль твердости намагничиванием и т. п. Ко второму переходному классу относятся процессы, которые не требуют ориентации заготовки (детали), но в них участвует обрабатывающий инструмент; изготовление деталей методом порошковой металлургии, производство металлокерамических и керамических деталей и др.

3. Анализ конструкции изделия, при этом устанавливается четкость обработки изделия и полнота технических требований к изготовляемой детали; исследуется форма, размеры, материалы, масса изделия и устанавливается пригодность для того или иного вида механизации и автоматизации.

4. Подбор информации по разным видам механизации и автоматизации. До начала работы должны быть известны все приемы и технологические схемы, а также оборудование, приборы и средства, освоенные промышленностью. Перед принятием решения производится поиск информации по производству аналогичных изделий в стране и за рубежом.

5. Экономический расчет эффективности предполагаемой механизации и автоматизации производства.

6. Разработка и согласование рекомендаций по изменению действующих производственных условий. Рекомендации разрабатываются на основе проведенного анализа и к ним могут быть отнесены: проведение унификации, т. е. приведение к одному типоразмеру близких по конструкций изделий; изменение последовательности технологических операций или применение совершенно нового прогрессивного технологического процесса; использование группового технологического процесса близких по конструкции изделий; применение нового вида заготовки изделия; уточнение и при необходимости изменение технических требований чертежа; изменение формы и размеров изделия; изменение материала изделия.

7. Принятие решения по использованию определенного принципа механизации и автоматизации и составление технического задания на разработку.