Развитие техники автоматизации производственных процессов

1. 
   Развитие техники автоматизации производственных процессов
   

План

1. 
   Усвоить знания по общим закономерностям и тенденции развития современного автоматизированного производства
   
2. 
   Знать основы построения, методы расчета технологических процессов автоматизированного производства, принципы проектирования автоматизированных станочных систем, цехов, предприятий.
   
3. 
   Уметь оценивать уровень автоматизации производства
   

ель и основные задачи курса. Рекомендации по изучению дисциплины.
АПП - является одной из профилирующих дисциплин изучаемых студентами на стадии завершения обучения по специальностям: «Технология машиностроения», «Машиностроение».
Автоматизация производственных процессов есть совокупность мероприятий по разработке технологических процессов, созданию и внедрению высокопроизводительных автоматически действующих средств производства, обеспечивающих непрерывный рост производительности труда.
Автоматизацию в машиностроении ни в коей степени не следует понимать лишь как процесс внедрения элементов и схем автоматики, насыщения ими существующих или вновь проектируемых конструкций машин.
Автоматизация - это комплексная конструкторско-технологическая задача создания принципиально новой техники на базе прогрессивных технологических процессов обработки, контроля, сборки.
Она включает создание таких методов и схем обработки, конструкций и компоновок машин и систем машин, которые, как правило, были бы невозможны, если бы человек по-прежнему оставался непосредственным участником технологического процесса.
Целью преподавания этой дисциплины является расширение мировоззрения студентов и приобретение комплекса специальных знаний и умений, необходимых для организации высокоэффективных автоматизированных производственных процессов в машиностроении.
Задачи изучения дисциплины.
В процессе изучения дисциплины «АПП» студент должен:
4. Разрабатывать и организовывать оптимальные технологические процессы изготовления деталей и сборки машин для условий автоматизированного производства.
5. Управлять производственными процессами с применением современных средств автоматики и вычислительной техники.
6. Пользоваться новыми методами автоматического контроля производственных процессов и качества выпускаемой продукции.
7. Применять работы и манипуляторы для повышения эффективности производства.
Рекомендации по изучению дисциплины.
Изучение дисциплины «АПП» базируется на знании общетеоретических, общеинженерных и специальных дисциплин таких как «Теория резания», «ТМ», «Металлорежущие станки и промышленные работы», «Гидропривод и гидропневмоавтоматика», «Электротехника».
В свою очередь эта дисциплина служит теоретической основой для изучения других специальных предметов, например: «Технологические основы ГАП», «САПР технологических процессов инструментов, станков и др.» Полученные знания используются студентами при выполнении курсовых и дипломных проектов.
1. Этапы развития автоматизации произв. процессов в машиностроении. Роль русских и советских ученых в развитии автоматизации производства
Данная научная дисциплина возникла в СССР в двадцатых годах в связи с быстрым ростом отечественного машиностроения. Ее развитию способствовал широкий круг советских ученых, инженеров и новаторов производства. Возникновение ее базировалось на трудах русских ученых Чебышева, Вышнеградского, Ляпунова, Тиля и советских ученых-технологов Соколовского, Кована, Каширина, Егорова, Новикова, Балакшина. Дальнейшее формирование и развитие этого предмета отражено в трудах Артоболевского, Бруевича, Шаумяна, Рабиновича.
Советскими технологами-машиностроителями выполнена большая работа по совершенствованию производства машин самого различного назначения, а советскими учеными внесен значительный вклад в формирование технологической науки.
По сравнению с обычным, автоматизированное производство характеризуется более высоким технологическим, техническим и организационным уровнем.
В каждом отдельном случае особое внимание обращается на его экономическую эффективность и сокращение сроков внедрения автоматизации.
Если с 1966 года по 1970 г. в среднем ежегодно осваивалось 1700 новых видов продукции, то 1971 по 1974 г. - около 3600. Если в восьмой пятилетке ежегодно снималось с производства 500 видов продукции, то с 1971-1973 - 1900 ед., в 1974 году - 1800 ед. В 1974 году был сделан заметный сдвиг в улучшении качества продукции. Так, на 1 янв. 1975 года государственный знак качества имели 232 тыс. изделий из них 13,2 тыс. этот знак был присвоен в 1974 г.
Важнейшие условия дальнейшей автоматизации производства - повышение серийности выпуска продукции и непрерывности процесса ее изготовления. Первое - обеспечивается унификацией, нормализацией и стандартизацией изделий. Второе - использованием соответствующих технологических методов и процессов.
Анализируя историю и условия развития автоматизации производства процессов, можно отметить три основных этапа, на которых решались различные по своей сложности задачи:
1. Автоматизация рабочего цикла, создание машин-автоматов и полуавтоматов.
2. Автоматизация системы машин, создания автоматических линий.
3. Комплексная автоматизация производственных процессов, создание автоматических цехов и заводов.
В свою очередь можно выявить и ступени автоматизации. На первой ступени автоматизация технологических процессов охватывает лишь отдельные операции обработки, а сборку, контроль и упаковку готовой продукции производят вручную или с применением средств механизации. Второй степенью автоматизации является автоматизация системы машин, создания автоматических линий, объединяющих в себе выполнение разнообразных операций обработки, контроля, сборки, упаковки и т.д. - автоматизация производственных процессов. Третьей степенью автоматизации является комплексная автоматизация производственных процессов - создание автоматических участков, цехов и заводов с широким использованием ЭВМ, автоматических систем управления производством, систем управления качеством и т.д.
Комплексная автоматизация связана с высокой технической оснащенностью всех звеньев производственного процесса, с максимальным сокращением длительности производственного цикла, с внедрением автоматических систем управления производством.
автоматизация производство датчик
1.2 Проблемы и тенденции развития АПП
Значительные трудности при автоматизации производства возникают из условия, что любое мероприятие должно решаться конкретно для данного изделия, детали и продукта в соответствии с их особенностями и техническими требованиями и точности размеров и форм, взаимному расположению поверхностей, материалу и массе деталей. Также значительны трудности, связанные с высокими требованиями к точности размеров, формы и качеству собираемых изделий. Чем выше требуется точность, тем труднее создать автоматизированное производство, тем сложнее и дороже оснащающее оборудование. В автоматизированном производстве на основе новейших технологий в целях ускорения автоматизации необходимо раскрыть объективно существующие закономерности, общие признаки и явления при автоматизации разнообразных производственных процессов.
С повышением степени автоматизации при выполнении основных технологических и вспомогательных процессов возникают новые, до сих пор неизвестные проблемы, ожидающие теоретического осмысления и разработки новых конкретных технических и организационных решений.
Прежде всего, следует решить проблему организации мощной элементной базы с производством в необходимом количестве и номенклатуре дешевых и качественных механических, электромеханических, гидравлических и т.д. элементов.
Другой важной проблемой является создание типовых автоматизирующих устройств - транспортных, подающих, ориентирующих, контрольных, складирующих и др. путем их централизованного производства. Такие устройства могут встраиваться в различные автоматические комплексы независимо от вида изготовляемых изделий, а также вида производства и отрасли, в которой эксплуатируются автоматические комплексы.
Третьей важной проблемой является создание типажа высокопроизводительных и надежных автоматических машин и устройств с новейшими конструкциями, непосредственно встраиваемых в автоматические комплексы и работающих совместно с промышленными работами.
Четверной проблемой является обеспечение отдельных автоматов и устройств надежными системами управления автоматических комплексов и использованием современных достижений микроэлектроники, отвечающим самым высокими требованиями надежности, компактности, стоимости.
1. Широкое применение метода концентрации (совмещения) элементарных технологических операций при создании автоматического оборудования не только для массового, но и для серийного и мелкосерийного производства. Концентрация операций в одной рабочей машине резко повышает производительность, позволяет быстро окупить затраты на автоматизацию.
2. Широкое использование метода агрегатрирования металлорежущих станков-автоматов и автоматических линий, сборочных машин, контрольных, транспортных устройств, роботов и систем управления, что в несколько раз сокращает кроки проектирования, создает возможность перекомпоновки и переналадки его при изменении объекта производства.
3. Применение микропроцессорной техники и компьютеров для управления на всех уровнях технологическими процессорами, что позволяет обеспечить гибкость производства, высокую надежность управляющих систем, реализовать большие потенциальные возможности современных технологий.
Сочетание этих тенденций может обеспечить высокую эффективность только в случае выбора наиболее эффективных по концентрации операций параметров агрегатного оборудования и технологических систем в целом.
2. Основные положения автоматизации
2.1 Основные понятия и определения
2.1.1 Автоматизация (механизация), автоматика и техническая кибернетика
Автоматизация - это замена физического и умственного труда машиной приводимой в действие внешними источниками энергии и управление человеком. При механизации управление средствами производства осуществляется человеком. В соответствии с ГОСТ 23004-78 под механизацией понимают применение энергии живой природы в технологическом процессе или его составных частях, полностью управляемых людьми. Главные задачи механизации и автоматизации производства состоят в сокращении трудовых затрат, улучшении условий производства, повышении объема выпуска и качества продукции.
Автоматика- это наука о построении и расчете систем автоматического управления.
Кибернетика- наука, изучающая закономерности процесса управления и связи в организованной системе. Кибернетика состоит из двух разделов-
1. теория информации
2. теория автоматического управления
Кибернетика изучает информационные системы ТАУ, САУ и не учитывает энергетическое обеспечение и конструктивного оформления. За счет кибернетики в автоматизированном процессе создается структура САУ и программа работы.
За счет автоматики производится создание технических средств САУ.
За счет АПП повышается эффективность производства.
2.1.2 Единичная, комплексная и интегрированная механизация, автоматизация
Развитие процессов автоматизации производства на многих действующих и реконструируемых заводах проходит следующие 4 стадии: единичная (частичная) и комплексная механизация, единичная и комплексная автоматизация.
Согласно ГОСТ 23004-78, ГОСТ 1430982.
Единичная механизация (автоматизация)- это механизация (автоматизация) одной первично составляющей технического процесса или системы технологических процессов исключая (включая) управление.
Единичная механизация - проводится многими заводами и обычно не связана с большими затратами. При ней рабочий освобождается от одного или нескольких приемов, связанных с выполнением данной операции.
Единичная автоматизация заключается в том, что наряду с обычным оборудованием в цехах используются автоматы и п/автоматы.
Комплексная механизация (автоматизация)- это механизация (автоматизация) двух и более первичных составляющих технологического процесса или системы технологических процессов исключая (включая) управление. При комплексной механизации внедряют системы механизированных устройств или машин обеспечивающих выполнение основных и вспомогательных работ (транспортировка, установка снятие заготовок). Применяя механизацию производственных процессов, стремятся облегчить выполнение профессионально-вредных, тяжелых, однообразных работ. Более эффективна полная (комплексная) автоматизация отдельных технологических процессов. Когда система непрерывно работающих, автоматических машин функционирует как взаимосвязанный единый комплекс.
Комплексная автоматизация - высшая форма автоматизации, при которой из технологического и вспомогательного оборудования могут быть cкомпоновы автоматические линии, цеха, заводы, где в едином потоке осуществляются процессы выполнения заготовок, механической обработки, контроля, термообработки, сборки ,окраски, упаковки и консервации.
При комплексной автоматизации кроме ранее перечисленных преимуществ, свойственных автоматизации вообще, обеспечивается возможность непрерывной работы оборудования в едином потоке. Отпадает потребность в промежуточных складах, сокращается длительность рабочего цикла, упрощается планирование производства и учет производимой продукции. Существуют 2 перспективы развития комплексной автоматизации.
1-ближайшая - это более широкое использование автоматизированных и автоматических систем управления сложными технологическими процессами и производствами на основе электронных управляющих вычислительных машин АСУТП.
2-более отдаленная - это создание полностью автоматизированных предприятий, на которых ЭВМ будет использоваться не только для группового и индивидуального управления сложными технологическими комплексами, но и для конструирования изделий и проектирования технологических процессов их изготовления.
Интегрированная автоматизация- автоматизация производственных процессов инженерного труда по проведению научных исследований (АСНИ), по конструированию и разработки изделий (САПР), по технологической подготовке производства (АСТПП) и управлению производством (АСУП, АСУТП).
П/автомат, автомат, автоматическая линия, гибкое производство и электронизация производства.
П/автоматом называют рабочую машину, цикл работы которой в конце выполняемой операции автоматически прерывается. Для возобновления цикла необходимо вмешательство человека, который устанавливает и снимает заготовки, пускает станок и контролирует его работу, меняет и регулирует инструмент.
Автоматом называется самоуправляющаяся рабочая машина, которая при осуществлении технологического процесса производит все рабочие и все холостые ходы рабочего цикла обработки, кроме контроля и наладки.
Автоматическая линия- это система рабочих машин-автоматов, расположенных в технологической последовательности, объединенных автоматическими устройствами и механизмам для обработки, сборки и контроля изделий, транспортирования и хранения их в процессе изготовления с целью выполнения законченной части ли всего технологического процесса изготовления одного или нескольких изделий.
Гибкая автоматизация- это автоматизация, позволяющая на одном оборудовании регулярно переходить на выпуск модернизированных или новых изделий определенного производственного значения. В основе гибкой автоматизации лежит электронизация производства или механотронная техника.
Механотроника- это наука, изучающая взаимодействие механических и электронных устройств. Электронизация- это гибкая автоматизация с использованием электронных устройств ЧПУ и ЭВМ.
2.2 Гибкие производственные системы
В основе Г.П. лежит:
1. Легкопереналаживаемое технологическое оборудование с ЧПУ
2. Промышленные работы
3. Прогрессивная унифицированная технология (групповая для мелко и средне серийного производства и типовая для крупно серийного и массового типов производства.)
4. Управляющие устройства на базе ЭВМ.
Применение старой технологии и организации производства приводит к повышению себестоимости, качество и производственность находиться на прежнем уровне, а эффективность производства уменьшается, Хотя оборудование поставляют новое. Все это называется, «Обновляющим устареванием производства»: Определимся что такое «Устаревание производства»: т.е. на предприятии 5% времени тратиться на изготовление и на сбор изделии, а остальные 95% времени - это контроль, перемещение от станка к станку и т.д. Все это привело к необходимости объединения оборудования и непрерывность технологического цикла - так возникают ГПС.
Согласно ГОСТ 26.228-85 ГПС термины и основные определения.
Под ГПС понимают совокупность в разных сочетаниях оборудование с ЧЛУ, роботизированных модулей и отделение единиц технологического оборудования и систем обеспечения их функционирования в автоматическом или автоматизированном режиме, обладающим свойством переналадки в определенном диапазоне и встраивания в системы более высокого уровня.
Состав и взаимодействие ГПС.
Рисунок 1- Состав ГПС.
ГПС имеют 3 уровня
1-ГПМ
2-ГПК
3-ГАП или интегрированная автоматизированная система.
2.2.1 Гибкий производственный модуль
ГПМ - это единица технологического оборудования, предназначенная для производства изделий производственной номенклатуры в пределах установленных значении их характеристик, с программным управлением, автономно функционирующим и имеющим возможность встраивания в ГПС более высокого уровня.
ГПМ состоит из:
1-обрабатывающего центра.
2-системы автоматической смены инструмента
3-системы удаления отходов и подачи СОЖ.
4-системы автоматического контроля параметров изделий и системы диагностирования станка, технологической оснастки.
5-системы автоматической загрузки и выгрузки изготавливаемых деталей.
2.2.2 Гибкий производственный комплекс
Рисунок 2- Укрупненная схема ГПК (автоматизированный участок)
где: ППУ - приемно-перегрузочное устройство.
РШ - робот штабелер.
ТР - транспортный робот.
ПР - промышленный робот.
ТО - технологическое оборудование
ГПК состоит из нескольких гибких производственных модулей объединенных автоматизированной системой управления и автоматизированной транспортно-складочная системой, автономно функционирующими в течении определенного интервала времени и имеющим возможность встраивания в систему более высокой ступени автоматизации.
В ГПК применяется технологически принцип. «Верни на место»
В данном случае само производство требует увязки технологического оборудования и вспомогательных систем, она основана на прогрессивной технологии и организации производства, с автоматизации основных, вспомогательных и контрольных операции, непрерывно функционирующих и исключающих прослеживание деталей и узлов на складах.
Основные системы ГПК.
Автоматизированная транспортно-складочная система (АТСС) - это система взаимосвязанных транспортно-складных устройств, предназначенных для укладки, хранения и временного накопления в процессе производства предметов труда.
Система автоматизированного контроля (САК) - это система, обеспечивающая контроль качества обработки на каждой операции и готового изделия в целом, а также диагностику состояния оборудования и технологической оснастки в процессе производства.
Автоматизированная система инструментального обеспечения (АСУО) система, обеспечивающая удаление стружки, поставки СОЖ и вспомогательных материалов.
Автоматизированная система удаления (производством или технологическим процессом) - разновидность систем управления, включающая технические средства, которые обеспечивает замену физического и умственного труда человека работой машин для сбора, переработки и вывода информации.
2.2.3 Гибкое автоматизированное производства (ГАП) или интегрированная автоматизированная система (ИАС).
Гибкое автоматизированное производство включает один или несколько гибких производственных комплексов, объединенных автоматизированной системой управления и автоматизированной транспортно-складской системой, осуществляющей переход на изготовления новых изделии исследовании, систем автоматизированного проектирования и автоматизированной системы технологической подготовки производства.
Рисунок 3 - Функциональная схема ГПК
В недалеком прошлом при внедрении изделии, 99% времени уходило на его научное исследование работы и проектирования и 1% времени на изготовление. Соответственно это заставляло держать большой инженерские состав в конструкторских бюро и научно исследовательские институты. На производстве инженеров было в 3-5 раз меньше. С 60-х годов начали понимать что конструкция, технология и производство взаимосвязано и взаимозависимо и на основе достижения научно-технического прогресса начинает разрабатываться интегрированная система автоматизации. Это система автоматизирует не только производство, но и инженерный труд по проведению НИР, проектирования изделий, подготовки организации и управления производства.
2.3 рганизованные технические предпосылки автоматизации
Автоматизация как основное направление техническое прогресса связанно с улучшением тех или иных технических характеристик, что сопровождается ростом производительности труда.
Какие предпосылки должны иметь предприятия перед автоматизацией.
1. Наличие высоко квалифицированных кадров, ученых, инженеров и рабочих для создания и обслуживания современного производства.
2. Специализация и кооперация производства.
3. Наличие запаса мощностей
4. Системный подход к автоматизации, т. е автоматизация не только производства изделий, но и автоматизация инженерного труда по проектированию технологической подготовки производства по организации и управлению производства.
5. Применение оптимального планирования и управление производством на базе использования математических методов и ЭВМ, т.е. применение АСУП и АСУТП - это должно обеспечить бесперебойность работы систем в течение года.
6. Создание высокотехнологичных конструкций позволяющих автоматизировать операции по изготовлению, контроля и транспортировки. ГОСТ 14.201-83 обеспечение технологической конструкции.
7. Применение в производстве общетехнических принципов конструирования изделии.
Общетехнические принципы
1 - проектирование изделий параметрическими радами на основе базовой модели.
2 - агрегатно-модульный принцип проектирования изделий.
3 - унификация, стандартизация изделий, узлов, деталей и их элементов.
4 - рациональное ограничение размеров, предельных отношений, элементов конструкции, применяемых материалов.
5 - технологически метод проектирования.
Проектирования конструкции изделия одновременно с проработкой технологии его изготовления.
8. Применение в автоматизированном производстве унифицированных, прогрессивных технологий (типовые, групповые, модульно-групповые ТП)
2.4 Научно-технические проблемы автоматизации
1. Необходимость создавать и производить в необходимой номенклатуре и количества элементов автоматических систем (механические, электромеханические, гидравлические, пневматические, электронные.)
2. Необходимо создавать и наладить производства в необходимом количестве типовых автоматизированных устройств, (транспортные, ориентирующие, подающие, средства контроля - которые можно встраивать в любую автоматическую систему.)
3. Необходимость создавать высокопроизводительные машины и станки на базе целевых модулей.
4. Создание программно совместимой системы управления техническим оборудованием с ЧПУ.
5. Применение информационной технологии для накопления и обработки данных на базе ЭВМ. Создание, изготовление в необходимой количестве интеллектуальных, экспериментальных систем по обработки знания и применению решении (АСНИ, САПР, АСТПП, АСУП, АСУТП),а также создание информационных ресурсов и распределение банков данных по сетям ЭВМ.
2.5 Техническая политика при автоматизации
При внедрении автоматизации в конкретных условиях необходимо руководствоваться следующим основным принципами.
1й - достижение конкретных технико-экономических результатов.
2й - комплексность подхода к автоматизации, на более высоком уровне.
3й - соблюдать принцип необходимости, т.е. автоматизацию надо применять не там где ее можно приспособить, а там где она необходима.
4й - использование и внедрение только до конца продуманных технических решении.
2.5.1 Современная тенденция в развитии автоматизированного производства
1й - Повышение гибкости средств автоматизации.
2й - Переход к много инструментальной и многошпиндельной обработки и сборки.
3й - Создание унифицированных конструкций на базе целевых модулей вместо специально разработанных в каждом конкретном случае.
4й - переход от отдельных не связанных между собой станков с ЧПУ с несовместимыми микро процессами к автоматизированным комплексам управляемыми от главной ЭВМ т.е. переход от канальной к комплексной автоматизации.
2.6 Методы автоматизации производства
Автоматизация производиться в 2 случаях.
1 - Когда необходимо исключить вредные или тяжелые условия труда.
При этом затраты на автоматизацию отчисляются из средств на охрану труда и окружающей среды.