Глава 1. Принципы построения автоматизированных производств

Часть 1. Основы теории автоматического управления

Автоматика – отрасль науки и техники, охватывающая теорию и устройства средств и систем автоматического управления машинами и технологическими процессами. Она возникла в 19 веке с появлением механизированного производства на базе пря­дильных и ткацких станков, паровых машин и др., которые заменили ручной труд и дали возможность повысить его производительность.

Автоматизации всегда предшествует процесс полной механизации – такого производственного процесса, в котором человек не затрачивает на выполнение операций физической силы.

По мере развития техники функции управления процессами и машинами расши­рялись и усложнялись. Человек уже во многих случаях не был в состоя­нии управлять механизированным производством без специальных до­полнительных устройств. Это обусловило возникновение автоматизиро­ванного производства, при котором работники высвобождаются не только от физического труда, но и от функций контроля за машинами, оборудованием, производственными процессами и операциями, а также управления ими.

Под автоматизацией производственных процессов понимают комплекс технических мероприятий по разработке новых технологических процессов и создание производства на основе высокопроизводительного оборудования, выполняющего все основные операции без непосредственного участия человека.

Автоматизация способствует значительному повы­шению производительности труда, улучшению качества продукции и условий труда людей.

В сельском хозяйстве, пищевой и перерабатывающей промышленности автоматизируется контроль и управление температурой, влажностью, давлением, регулирование скорости и перемещение, сортирование по качеству, упаковка и многие другие процессы и операции, обеспечивая более высокую их эффективность, экономию труда и средств.

Автоматизированные производства по сравнению с не автоматизированными обладают определенной спецификой:

Для повышения эффективности они должны охватывать большее количество разнородных операций;

Необходима тщательная проработка технологии, анализ объектов производства, маршрутов движения и операций, обеспечения надежности процесса с заданным качеством;

При широком ассортименте выпускаемой продукции и сезонности работы технологические решения могут быть многовариантными;

Повышаются требования к четкой и слаженной работе различных служб производства.

При проектировании автоматизированного производства должны быть соблюдены следующие принципы:

1. Принцип завершенности. Следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной автоматизированной производственной системы без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения. Для реализации этого принципа необходимо обеспечить:

Технологичность продукта, т.е. на его изготовление должно расходоваться минимальное количество материалов, времени и средств;

Унификацию методов обработки и контроля продукта;

Расширение типажа оборудования с повышенными технологическими возможностями для обработки нескольких видов сырья или полуфабрикатов.

2. Принцип малооперационной технологии. Количество операций промежуточной обработки сырья и полуфабрикатов должны быть сведены к минимуму, а маршруты их подачи - оптимизированы.

3. Принцип малолюдной технологии. Обеспечение автоматической работы на протяжении всего цикла изготовления продукта. Для этого необходимо стабилизировать качество входного сырья, повысить надежность оборудования и информационного обеспечения процесса.

4. Принцип безотладочной технологии. Объект управления не должен требовать дополнительных наладочных работ после того, как он пущен в эксплуатацию.

5. Принцип оптимальности. Все объекты управления и службы производства подчинены единому критерию оптимальности, например, выпускать продукцию только высшего качества.

6. Принцип групповой технологии. Обеспечивает гибкость производства, т.е. возможность перехода с выпуска одного продукта на выпуск другого. В основе принципа лежит общность операций, их сочетаний и рецептур.

Для серийного и мелкосерийного производства характерно создание автоматизированных систем из универсального и агрегатного оборудования с межоперационными емкостями. Это оборудование в зависимости от перерабатываемого продукта может переналаживаться.

Для крупносерийного и массового выпуска продукции автоматизированное производство создается из специального оборудования, объединенного жесткой связью. В подобных производствах применяется высокопроизводительное оборудование, например, роторное для разливки жидкостей в бутылки или пакеты.

Для функционирования оборудования необходим промежуточный транспорт для сырья, полуфабрикатов, компонентов, различных сред.

В зависимости от промежуточного транспорта автоматизированные производства могут быть:

Со сквозной транспортировкой без перестановки сырья, полуфабриката или сред;

С перестановкой сырья, полуфабрикатов или сред;

С промежуточной емкостью.

По видам компоновки оборудования (агрегатирования) различают автоматизированные производства:

Однопоточные;

Параллельного агрегатирования;

Многопоточные.

В однопоточном оборудование расположено последовательно по ходу выполнения операций. Для увеличения производительности однопоточного производства операция может выполняться на однотипном оборудовании параллельно.

В многопоточном производстве каждый поток выполняет аналогичные функции, но работает независимо один от другого.

Особенностью сельскохозяйственного производства и переработки продукции является быстрое снижение ее качества, например, после забоя скота или съема плодов с деревьев. Это требует такого оборудования, которое имело бы высокую мобильность (возможность выпуска широкого ассортимента продуктов из однотипного сырья и переработки различных видов сырья на однотипном оборудовании).

Для этого создаются переналаживаемые производственные системы, обладающие свойством автоматизированной переналадки. Организационным модулем таких систем является производственный модуль, автоматизированная линия, автоматизированный участок или цех.

Производственным модулем называют систему, состоящую из единицы технологического оборудования, оснащенного автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующую и имеющую возможность встраиваться в систему более высокого уровня (рис.1.1).

Рисунок 1.1 – Структура производственного модуля: 1- оборудование для выполнения одной или нескольких операций; 2- управляющее устройство; 3- погрузочно-разгрузочное устройство; 4- транспортно- накопительное устройство (промежуточная емкость); 5- контрольно-измерительная система.

Производственный модуль может включать в себя, например, сушильную камеру, контрольно-измерительную систему, погрузочно-разгрузочную и транспортную системы с локальным управлением или смесительную установку с аналогичным добавочным оборудованием.

Частным случаем производственного модуля является производственная ячейка – комбинация модулей с единой системой измерения режимов работы оборудования, транспортно-накопительной и погрузо-разгрузочной системами (рис.1.2). Производственная ячейка может встраиваться в системы более высокого уровня.

Рисунок 1.2 – Структура производственной ячейки: 1- оборудования для выполнения одной или нескольких операций; 2- приемный бункер; 3-погрузочно-разгрузочное устройство; 4- конвейер; 5- промежуточная емкость; 6- управляющий компьютер; 7- контрольно-измерительная система.

Автоматизированная линия - переналаживаемая система, состоящая из нескольких производственных модулей или ячеек, объединенных единой транспортно- складской системой и системой автоматического управления технологического процесса (АСУ ТП). Оборудование автоматизированной линии расположено в принятой последовательности выполнения технологических операций. Структура автоматизированной линии изображена на рис.1.3.

В отличие от автоматизированной линии на переналаживаемом автоматизированном участке предусмотрена возможность изменения последовательности использования технологического оборудования. Линия и участок могут иметь отдельно функционирующие единицы технологического оборудования. Структура автоматизированного участка приведена на рис.1.4.

Рисунок 1.3 – Структура автоматизированной линии: 1, 2, 3, 4- производственные ячейки и модули; 5- транспортная система; 6-склад; 7- управляющий компьютер.

Рисунок 1.4 – Структура автоматизированного участка: 1,2,3- автоматизированные линии;

4- производственные ячейки;

5- произвоственные модули;

7- управляющий компьютер.

Автоматизация производственных

процессов

1.1. Основы, терминология и направления АПП.

Одним из основных направлений деятельности человека является совершенствование процессов производства с целью облегчения тяжёлого физического труда и повышение эффективности процесса в целом – это направление может реализоваться через автоматизацию производственных процессов.

Итак, целью АПП является:

- повышение производительности;

- повышение качества;

- улучшений условий труда.

Цель рождает вопросы, что и как автоматизировать, целесообразность и необходимость автоматизации и др. задачи.

Как известно технологический процесс состоит из трёх основных частей:

- рабочего цикла, - основной тех. процесс;

- холостых ходов, - вспомогательных операций;

- транспортно – накопительных операций.

Основной тех. процесс тесно связан с СПИД. Рассмотрим СПИД:

С – это автоматизация рабочих и холостых ходов всех механизмов станка (авт.гл. движ., подач и вспом. операций).

П – автоматизация установки, фиксации деталей на станке.И – требования АПП к инструменту.

Д – технологические требования АПП к детали. Кроме того,

Вспомогательных операций – это автоматизация загрузки, разгрузки, установки, ориентации, фиксации, транспортировки, накоплению и контролю детали. Из всего выше сказанного видно, что АПП имеет комплексный подход и, не

решив одну задачу, можем не достигнуть необходимого эффекта. Автоматизация – направление развития производства, характеризуемое ос-

вобождением человека не только от мускульных усилий, для выполнения тех или иных движений, но и от оперативного управления механизмами выполняющими эти движения.

Автоматизация может быть частичной или полной.

Частичная автоматизация – автоматизация части операции по управлению производственным процессом при условии, что остальная часть всех операций выполняется автоматически (управление и контроль человеком).

Примером может служить – автом. линия (АЛ), состоящая из нескольких станков автоматов и имеющих автоматическую межоперационную транспортную систему. Управление линии осуществляется одним процессором.

Полная автоматизация – характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входят настройка машины или группы машин, включение и контроль.

Пример: автоматический участок или цех.

1.2. Организационно – технические особенности автоматизации.

Анализируя тенденцию и историю развития автоматизации произв. процессов, можно отметить четыре основных этапа, на которых решались различные по своей сложности задачи.

Это: 1. Автоматизация рабочего цикла создание машин автоматов и полуавтоматов.

2. Автоматизация систем машин, создание АЛ, комплексов и модулей.

3. Комплексы автоматизации производ. процессов с созданием автоматических цехов и заводов.

4. Создание гибкого автоматизированного производства с автоматизацией серийного и мелкосерийного производства, инженерного и управленческого труда.

1 На первом этапе – модернизировалось универсальное оборудование. Как известно время обработки одного изделия опр-ся по формуле:

T = t Р + tХ

Таким образом, для повышения производительности работы оборудования сокращалось время tР и tХ и совмещалось tР и tХ значит, если машина кроме рабочих ходов (tР ) могут самостоятельно выполнять холостые хода (tХ ), то она представляет собой автомат.

Необходимо учитывать, что под холостыми ходами следует понимать не только перемещение отдельных узлов станка без обработки, но и загрузку, ориентацию детали, их фиксацию. Однако, как показала практика, автоматизация универсальных станков, с точки зрения производительности имеет свои пределы, т.е. рост производительности труда составил не выше 60%. Поэтому в дальнейшем стали создавать специальные станки автоматы с применением новых принципов:

Многоинструментальные и многопозиционные автоматы применялись в поточных линиях, что явилось высшей формой первого этапа автоматизации (структурная схема см. табл.1).

Структурная схема автомата №1

Автомат (прутковый)

2 На втором этапе – создаётся АЛ (структурная схема см. табл.2).

АЛ называется – автоматическая система машин расположенных в техноло-

гической последовательности, объединённых средствами транспортировки, управления, автоматически выполняющих комплекс операций кроме контроля и наладки.

Создание АЛ потребовало решения более сложных задач. Так одна из них – - Создание автоматической системы межстаночной транспортировки обрабатываемых деталей, с учётом неодинакового ритма работы станков (время на операции разное); а также не совпадение по времени их простоев из-за возникающих неполадок. Система межстаночной транспортировки должна включать не только транспортёры, но и автоматические магазины накопители для создания расходования межоперационных заделов, устройств управления и блокировки системы машин. При этом необходимы не только согласование между собой рабочих циклов отдельных машин, а так же транспортирующих механизмов, но и блокировок на случай всевозможных неполадок (поломки, выход размеров за пределы поля

допуска и т.п.).

На втором этапе автоматизации решается и задача: создание средств автоматизированного контроля , в том числе активного контроля с корректировкой работы станка.

Экономический эффект достигается не только повышением производительности и значительным сокращением затрат ручного труда благодаря автоматизации межстаночной транспортировки, контроля, уборки стружки.

Структурная схема АЛ табл. №2

3 Третьим этапом автоматизации явл-ся комплексная автоматизация производственных процессов – создание автоматических цехов и заводов.

Автоматич. цехом или заводом называется цех или завод, в котором основные производственные процессы осуществляются на АЛ.

Здесь решаются задачи автоматизации межлинейной и межцеховой транспортировки, складирования, уборки и переработки стружки, диспетчерского контроля и управления производством (структура автом. цеха см. схему, рис.3).

Структура автоматического цеха табл. №3

Автомтатический

Здесь элементами выполняющие рабочие ходы, являются уже АЛ со своими технологическими роторными машинами, механизмами транспортировки, управления и т.д.

В автом. цехах и заводах межлинейное транспортирование и накопление заделов являются холостыми ходами.

Система управления цеха также выполняет новые более сложные задачи. Важнейшей особенностью комплексной автоматизации производственных процессов как нового этапа технического прогресса явл-ся широкое применение вычислительной техники, которая позволяет решать не только задачу управления

производством, но и гибкого управления тех. процессами.

4 Гибкие автоматизированные системы – какчетвёртый этап автоматизации представляют собой наивысшую четвёртую ступень развития автоматизации тех. процессов. Предназначены для автоматизации тех. процессов со сменным объектом производства, в том числе для единичного и мелкосерийного производства.

Гибкое производство – сложное понятие, включающее в себя целый комплекс компонентов +машинная гибкость – лёгкость перестройки технологических элементов ГАП для производства заданного множества типов деталей.

Гибкость процесса – способность производить заданное множество типов деталей, в том числе из различных деталей, разными способами.

Гибкость по продукту – способность быстрого и экономичного переключения на производство нового продукта.

+ Маршрутная гибкость – способность продолжать обработку заданного множества типов деталей при отказах отдельных технологических элементов ГАП.

Гибкость по объёму – способность ГАП экономически выгодно работать при различных объёмах производства.

Гибкость по расширению – возможность расширения ГАП за счёт введения новых технологических элементов.

Гибкость работы – возможность изменения порядка операции для каждого из типов в детали.

Гибкость по продукции – всё разнообразие изделий, которое способно производить ГАП.

Определяющими явл-ся машинная и маршрутная гибкость. Использование ГАП даёт непосредственный экономический эффект за счёт

высвобождения персонала и увеличения сменности работы и управляющего оборудования.

Обычно в первую смену производится загрузка заготовок, материалов, инструмента, тех заданий, СУ и т.д., это выполняется с участием людей. Вторую и третью смену ГАП работает самостоятельно под наблюдением диспетчера.

Лекция №2

1.3. Технико-экономические особенности автоматизации.

При анализе производства бывает не достаточно знать, на какой стадии механизации или автоматизации находится тот или иной технологический процесс. И тогда степень автоматиз. или механизации (С) определяется уровнем мех.(М) и автом.(А). Оценка уровня М и А осуществляется тремя основными показателями:

- степенью охвата рабочих мех. трудом (С);

- уровнем мех. труда в общих трудозатратах (У Т );

- уровнем мех. и авт. производств. Процессов (У П ). Для мех. обработки и сборки эти показатели:

Процент возрастания производительности труда за счёт его мех. или автоматизации:

где - индекс 1 соответствует показателям, полученным до проведения мех. и автом.;

Индекс 2 после их проведения; РА – число рабочих, выполняющих работу с использованием средств автом.;

РО – общее число рабочих на рассматриваемом участке, цехе;

к – коэффициент механизации, выражающий отношение времени мех. труда

к общим затратам времени на данном рабочем времени.

П – коэф. производительности оборудования, характеризующий отношение трудоёмкости изготовления дет. на универсальном оборуд. с наименьшей производительностью, принятым за базу трудоёмкости изготовления этой детали на действующем оборудовании;

М – коэф. Обслуживания, зависящий от количества единиц оборудования, обслуживаемого одним рабочим (при обслуживании оборудования несколькими рабочими М< 1).

Система трёх основных показателей уровня мех. и автом. производственных процессов позволяет:

- оценивать состояние автом. производства, вскрывать резервы для повышения производительности труда;

- сравнивать уровни М. и А. родственных производств и отраслей;

- сравнивать уровни М. и А. соответствующих объектов по периодам внедрения и тем самым определять направления дальнейшего совершенствования производственных процессов;

- планировать уровень автоматизации.

Наряду с выше приведенными показателями может применяться критерий уровня автоматизации производства, количественно характеризующий, в какой мере на данной стадии М. и А. используются возможности экономии затрат труда, т.е. роста произв. труда:

где tПМ – трудоёмкость изготовления изделия при полной (комплексной) механизации;

tЧА и tПА – трудоёмкость изготовления при частичной и полной автом.

1.4. Технологичность деталей для автоматизированного производства.

1.4.1. Особенности конструирования изделий в условиях автоматизации про-

изводства.

Конструкция изделия должна обеспечивать его технологичность в изготовлении и сборке. Применение средств автоматизации предусматривает повышенное внимание конструкции изделий с точки зрения облегчения ориентации, позиционирования, сопрягаемости при сборке.

Большинство средств автом. для транспортировки и ориентации деталей действуют на ощупь, т.е. они используют геометрические характеристики деталей для осуществления ориентации и позиционирования.

Учитывая это, можно сказать, что выбор того или иного средства автом. будет основано на анализе классификации объектов производства по геометрическим параметрам (по их назначению и их относительной величине).

Одной из геометрических характеристик явл-ся симметрия.

В некоторых случаях симметрия деталей способствует автоматизации, а в других – делает её невозможной. Пример рис. А1, все детали расположенные справа – симметричны, что делает ориентирование ненужным; рис. А2 – иллюстрирует другую проблему. Если конструктивные особенности каждой детали трудно обнаружить мех. способом, то решение проблемы состоит в нарушении симметрии.

Детали типа цилиндров и дисков явл-ся наиболее вероятными кандидатами на внесение черт ассимметрии, потому что без ориентирующих признаков они могут принимать неопределённое число положений.

Детали прямоугольгой формы обычно выигрывают от симметрии поскольку они могут иметь небольшое число положений.

Рис А1 Ориентация деталей за счётсимметричности.

Рис А2 Ориентация деталей за счётих ассимметричности. а) затруднена б) улучшена

При этом закон распределения суммы этих случайных величин будет иметь Гаусово или нормальное распределение – рис. А5.

Взаимное сцепление деталей (рис. 3)

При загрузке деталей в накопитель или другое устройство навалом, нередко возникает явление сцепления деталей. Типичный пример – пружины . Многие детали имеют отверстия и выступы функционально не связанные друг с другом и не предназначенные для сопряжения. Соотношение размеров этих элементов деталей должно исключать возможность попадания выступа в отверстие и сцепления деталей. (рис. А3).

Типы систем автоматизации включают в себя:

• неизменяемые системы. Это системы, в которых последовательность действий определяется конфигурацией оборудования или условиями процесса и не может быть изменена в ходе процесса.
• программируемые системы. Это системы, в которых последовательность действий может изменяться в зависимости от заданной программы и конфигурации процесса. Выбор необходимой последовательности действий осуществляется за счет набора инструкций, которые могут быть прочитаны и интерпретированы системой.
• гибкие (самонастраиваемые) системы. Это системы, которые способны осуществлять выбор необходимых действий в процессе работы. Изменение конфигурации процесса (последовательности и условий выполнения операций) осуществляется на основании информации о ходе процесса.

Эти типы систем могут применяться на всех уровнях автоматизации процессов по отдельности или в составе комбинированной системы.

В каждой отрасли экономики существуют предприятия и организации, которые производят продукцию или предоставляют услуги. Все эти предприятия можно разделить на три группы, в зависимости от их «удаленности» в цепочке переработки природных ресурсов.

Первая группа предприятий, это предприятия, добывающие или производящие природные ресурсы. К таким предприятиям относятся, например, сельскохозяйственные производители, нефтегазодобывающие предприятия.

Вторая группа предприятий, это предприятия, выполняющие переработку природного сырья. Они изготавливают продукцию из сырья, добытого или произведенного предприятиями первой группы. К таким предприятиям относятся, например, предприятия автомобильной промышленности, сталелитейные предприятия, предприятия электронной промышленности, электростанции и т.п.

Третья группа, это предприятия сферы услуг. К таким организациям относятся, например, банки, образовательные учреждения, медицинские учреждения, рестораны и пр.

Для всех предприятий можно выделить общие группы процессов, связанные с производством продукции или предоставлением услуг.

К таким процессам относятся:

• бизнес процессы;
• процессы проектирования и разработки;
• процессы производства;
• процессы контроля и анализа.

• Бизнес процессы – это процессы, обеспечивающие взаимодействие внутри организации и с внешними заинтересованными сторонами (потребителями, поставщиками, надзорными органами и пр.). К этой категории процессов можно отнести процессы маркетинга и продаж, взаимодействия с потребителями , процессы финансового, кадрового, материального планирования и учета и пр.
• Процессы проектирования и разработки – это все процессы, связанные с разработкой продукции или услуги. К таким процессам относятся процессы планирования разработки, сбора и подготовки исходных данных, выполнение проекта, контроль и анализ результатов проектирования и пр.
• Процессы производства – это процессы, необходимые для производства продукции или предоставления услуг. К этой группе относятся все производственные и технологические процессы. Они также включают в себя процессы планирования потребности и планирования мощностей, логистические процессы и процессы обслуживания.
• Процессы контроля и анализа – эта группа процессов связана со сбором и обработкой информации о выполнении процессов. К таким процессам относятся процессы контроля качества, операционного управления, процессы контроля запасов и пр.

Большинство процессов, относящихся к этим группам, может быть автоматизирована. На сегодняшний день, существуют классы систем, которые обеспечивают автоматизацию этих процессов.

Стратегия автоматизации процессов

Автоматизация процессов представляет собой сложную и трудоемкую задачу. Для успешного решения этой задачи необходимо придерживаться определенной стратегии автоматизации. Она позволяет улучшить процессы и получить от автоматизации ряд существенных преимуществ.

Кратко, стратегию можно сформулировать следующим образом:

• понимание процесса. Для того чтобы автоматизировать процесс необходимо понимать существующий процесс со всеми его деталями. Процесс должен быть полностью проанализирован. Должны быть определены входы и выходы процесса, последовательность действий, взаимосвязь с другими процессами, состав ресурсов процесса и пр.
• упрощение процесса. После проведения анализа процесса необходимо упростить процесс. Лишние операции, не приносящие ценности, должны быть сокращены. Отдельные операции могут объединяться или выполняться параллельно. Для улучшения процесса могут быть предложены другие технологии его исполнения.
• автоматизация процесса. Автоматизация процессов может выполняться только после того, как процесс максимально упростился. Чем проще порядок действий процесса, тем проще его автоматизировать и тем эффективнее будет работать автоматизированный процесс.

Этапы и средства автоматизации производства

Предшественником автоматизации явилась комплексная механизация производства, в процессе которой физические функции человека в производственном процессе выполнялись с помощью механизмов с ручным управлением. Труд человека при этом облегчался физически, и его основной деятельностью становилось управление механизмами. Механизация направлена на облегчение условий человеческого труда и повышение его производительности.

По мере развития механизации возникает задача полной или частичной автоматизации управления механизмами. В результате решения этой задачи создаются технологические автоматы, способные в большей или меньшей степени выполнять производственные функции без участия человека. Возникновение и распространение технологических автоматов положило начало автоматизации производства.

В развитии автоматизации можно выделить ряд последовательных этапов, каждый из которых характеризуется появлением новых средств автоматизации и расширением состава объектов автоматизации производства. Укрупненно, применительно к промышленному производству, можно выделить следующие основные этапы автоматизации.

1. Автоматизация массового производства. При массовом производстве промышленной продукции задача повышения производительности труда стоит особенно остро. Здесь возможны значительные затраты на средства автоматизации, поскольку будучи отнесенными к единице продукции (при большом числе единиц продукции), они приводят к приемлемому росту ее цены.

В результате становится целесообразным создание и использование в производстве специализированных и специальных технологических автоматов. Каждый такой автомат рассчитан на единственную технологическую операцию или ограниченный набор технологических операций при производстве определенного изделия. Задача перестройки автомата на выпуск других изделий либо ставится в ограниченном объеме, либо не ставится вовсе.

Основной целью автоматизации является получение максимальной производительности. Технологический процесс изготовления изделия разбивается на простые операции малой длительности, которые можно выполнять параллельно на разных технологических автоматах.

Из технологических автоматов создаются поточные линии в соответствии с последовательностью технологических операций процесса изготовления изделия. Дальнейшее повышение уровня автоматизации достигается путем автоматизации межоперационного транспорта и промежуточного складирования (межоперационные накопители полуфабрикатов). Результатом такой комплексной автоматизации технологического процесса является создание автоматических линий.

Автоматическая линия реализует в автоматическом режиме технологический процесс изготовления определенного изделия. Автоматическая линия для достижения наивысшей производительности строится из специального и специализированного оборудования. Создание и внедрение автоматической линии требует больших временных и материальных затрат, следовательно, такие линии экономически эффективны только при массовом производстве изделий, когда одно и то же изделие в неизменном виде выпускается непрерывно в больших количествах в течение рядя лет. Автоматические линии имеют ограниченные возможности для переналадки на изготовление иной продукции или такие возможности вообще не предусматриваются.

Поскольку использование автоматических линий и цикловых технологических автоматов ограничено массовым и крупносерийным производством, то соответственно ограничены объемы автоматизированного производства на их основе. По разным оценкам объем массового и крупносерийного производства составляет от 15 до 20 % общего объема производства и эта доля имеет тенденцию к сокращению. Следовательно, уровень автоматизации производства с помощью автоматических линий и цикловых автоматов может составить не более 15–20 %. Реально этот уровень еще меньше.

Цикловые технологические автоматы и автоматические линии относятся к средствам "жесткой" автоматизации. С их помощью можно достичь весьма высокой производительности труда, однако область использования таких средств ограничена, и только на их основе полная автоматизация производства невозможна.

2. Автоматизация основных операций обработки многономенклатурного производства. Многономенклатурное производство предполагает изготовление разнообразных изделий партиями ограниченного объема в ограниченные сроки. Номенклатура изделий и объемы партий могут колебаться в широких пределах: от единичных изделий до партий среднесерийного производства.

При многономенклатурном производстве технологическое оборудование должно быть в значительной степени универсальным и обеспечивать переналадку и перестройку на изготовление разнообразных изделий (в пределах технологических возможностей оборудования). В случае автоматизированного производства такая переналадка и перестройка должны осуществляться в автоматизированном режиме с минимальным объемом ручных операций или с полным их исключением.

Выполнение перечисленных условий определяет "гибкую" автоматизацию. Основным принципом гибкой автоматизации является принцип программного управления технологическим оборудованием. Рабочий цикл технологического автомата при этом задается управляющей программой, содержащей кодированное описание последовательности элементов цикла с использованием определенной символики. Управляющая программа разрабатывается обособленно от управляемого оборудования и оформляется на некотором машинном носителе, что позволяет считывать ее автоматическому устройству управления технологического автомата.

Впервые этот принцип (который возник и усовершенствовался при управлении ЭВМ) был реализован для автоматизации металлорежущих станков. Появились и начали широко распространяться станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Первые модели станков с ЧПУ из-за недостаточного совершенства требовали при изменении рабочего цикла не только замены управляющей программы, но и некоторых ручных операций для переналадки. Такие станки оказывались эффективными при обработке партий однотипных деталей объемом не менее 50–100 шт. По мере совершенствования принципов ЧПУ и технических решений этот предел постоянно снижался, и в настоящее время станки с ЧПУ эффективны даже в индивидуальном производстве.

Вначале были созданы станки с ЧПУ для определенных видов механической обработки. В последующем получили распространение многооперационные станки с ЧПУ с автоматической сменой обрабатывающего инструмента (обрабатывающие центры).

Станки с ЧПУ позволяют автоматизировать процесс обработки деталей и обладают гибкостью, поскольку способны перестраиваться на обработку деталей иной формы путем замены управляющей программы. Это обстоятельство позволяет, например, автоматизировать процесс переналадки станка и, следовательно, повышает уровень автоматизации производства.

Принцип ЧПУ, ввиду эффективности, получил распространение и для другого технологического оборудования, что позволило обеспечить гибкую автоматизацию разнообразных технологических операций. Оборудование с ЧПУ в первую очередь получило распространение в машиностроении, приборостроении и металлообработке. Однако его использование не ограничено перечисленными отраслями.

Основным недостатком оборудования с ЧПУ является отсутствие автоматизации вспомогательных операций и необходимость в ручном обслуживании оборудования. Названное обстоятельство приводит к снижению коэффициента использования оборудования до уровня 40–60 %.

3. Промышленная робототехника. Автоматизация основных операций технологических процессов привела к росту противоречия между уровнем их автоматизации и уровнем автоматизации вспомогательных операций (в первую очередь операций загрузки-разгрузки автоматизированного оборудования). В качестве средства устранения этого противоречия была предложена концепция программно-управляемого перестраиваемого автомата для выполнения вспомогательных операций по обслуживанию автоматизированного оборудования.

Такие автоматы появились в шестидесятых годах прошлого столетия и получили название промышленных роботов (ПР). Первые разработки промышленных роботов были ориентированы на замену человека при выполнении операций загрузки заготовок в технологические автоматы и разгрузки обработанных изделий. На базе технологического автомата и обслуживающего его робота создаются роботизированные технологические комплексы (РТК), представляющие собой комплексно автоматизированные технологические ячейки.

С помощью РТК появляется возможность комплексной автоматизации отдельных технологических операций или ограниченного набора технологических операций в многономенклатурном производстве. Первые РТК с использованием простых ПР с цикловым управлением были эффективны в среднесерийном производстве. По мере совершенствования ПР (роботы с ЧПУ, адаптивные роботы, интеллектуальные роботы), повышается их гибкость и возможность эффективного применения в мелкосерийном и индивидуальном производстве.

Промышленные роботы постоянно совершенствуются. В процессе совершенствования улучшаются технические характеристики роботов, расширяются их функциональные возможности, расширяется сфера применения. В настоящее время основная масса выпускаемых ПР ориентирована на выполнение технологических операций: сварка, окраска, сборка и некоторые другие основные технологические операции. Наряду с такими роботами продолжают использоваться загрузочно-разгрузочные роботы, появились транспортные роботы и др.

4. Автоматизация управления. Управление в любом производстве требует решения большого объема задач по сбору и обработке информации, принятию решений и контролю их исполнения. Для решения задач управления привлекаются значительные людские ресурсы. Качество решения управленческих задач в существенной мере определяет результат производства.

Возможность автоматизации управления появилась с развитием и широким распространением ЭВМ, когда ЭВМ стали доступны для использования отдельными предприятиями. Появилась возможность автоматизации (с помощью ЭВМ и соответствующего программного обеспечения) процессов сбора и обработки информации, необходимой для принятия управленческих решений и контроля хода производства. С использованием ЭВМ стали решаться задачи планирования производства, задачи материального обеспечения, задачи учета труда и заработной платы, а также ряд других задач управления производством.

Решение таких задач не было жестко привязано во времени к производственным процессам и могло осуществляться в "машинном" времени ЭВМ, т.е. в течение такого временного периода, который требуется для выполнения соответствующей программы ЭВМ. Характерным для этого этапа автоматизации явилось создание на производстве централизованных вычислительных центров для решения задач управления. Связь между ЭВМ и производством, в основном, осуществлялась с использованием оперативного персонала.

Подобные централизованные системы получили название автоматизированных систем управления производством (АСУП). АСУП обеспечивает решение задач организационного и диспетчерского управления производством. Основной эффект от внедрения АСУП заключается в сокращении времени, необходимого для принятия управленческих решений, повышении оперативности управления и его качества, а также в сокращении управленческого персонала, занятого рутинной обработкой информации.

Значительный объем управления в производстве приходится на задачи оперативно-технического управления производственным оборудованием и технологическими процессами. Для автоматизации решения этих задач необходимо обеспечить непосредственную связь между управляющей ЭВМ и объектами управления. Кроме того, задачи оперативно-технического управления должны решаться в реальном времени управляемого процесса.

Поэтому наряду с АСУП появились системы автоматизированного управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые обеспечивают в автоматизированном режиме решение задач оперативно-технического, диспетчерского и организационного управления отдельными технологическими процессами производства. Интеграция АСУ ТП с автоматизированным технологическим комплексом обеспечивает реализацию концепции безлюдной технологии в производстве.

5. Автоматизация инженерного труда. Производство требует затрат высококвалифицированного труда специалистов – инженеров. Инженеры разрабатывают новую продукцию, проводят научные исследования и испытания, разрабатывают новые технологические процессы и модернизируют старые. Без инженерного труда невозможен прогресс производства. Затраты на оплату инженерного труда в производственных расходах составляют значительную долю (по стандартам промышленно развитых стран).

Стремление повысить эффективность инженерного труда, сократить материальные и временные затраты на проектирование новой или модернизированной продукции, на проведение исследований, на подготовку производства привело к появлению соответствующих автоматизированных систем. Основой таких систем явилось использование ЭВМ, поскольку инженерный труд – интеллектуальный труд. Типичные инженерные задачи являются эвристическими задачами, опирающимися на значительный объем рутинных работ.

Рутинные работы (получение справочной информации, оформление результатов, оформление чертежей и текстовых документов и др.) в большинстве случаев поддаются алгоритмизации (описанию в виде детерминированной последовательности простых операций) и, следовательно, их можно автоматизировать, используя ЭВМ. В принципе, автоматизировать можно любые процессы, поддающиеся алгоритмизации.

Средством автоматизации инженерного труда являются програм-мно-технические комплексы на базе ЭВМ: системы автоматизации проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП). Первые две системы используются конструкторами и исследователями для разработки новой или модернизации существующей продукции. Результатом их работы являются технические и рабочие проекты новой продукции.

Для реализации этих проектов необходимо выполнить подготовку производства спроектированной продукции. Эта задача возлагается на специалистов-технологов, осуществляющих проектирование новых технологических процессов или модернизацию существующих. Для автоматизации труда технологов (тех работ, которые поддаются алгоритмизации) предназначены АСТПП. Использование АСТПП позволяет повысить эффективность подготовки производства, сократить материальные и временные затраты на этот процесс, повысить качество результатов и сократить затраты человеческого труда.

6. Интеграция автоматизированных производственных систем в единое гибкое автоматизированное производство (ГАП). Интеграция заключается в совместном использовании и взаимодействии перечисленных выше систем автоматизации для достижения конечной цели производства. При этом системы автоматизации интеллектуальных функций человека (проектирование, управление, исследования, разработка технологий) используют общие базы данных, что обеспечивает прямой обмен информацией между ними.

В ГАП основным принципом управления оборудованием и процессами является программное управление от ЭВМ, что обеспечивает перестройку производства на выпуск новой или модернизированной продукции программным путем (заменой управляющих программ) в автоматизированном режиме. В результате производство приобретает свойство гибкости и реализует концепцию гибкой технологии. Комплексная автоматизация человеческого труда позволяет сократить долю человеческого труда в ГАП в 20 раз по сравнению с традиционным производством. Такое производство реализует концепцию безлюдной технологии.

В условиях ГАП автоматизированы как физические, так и интеллектуальные функции человека. Для автоматизации интеллектуальных функций основным средством являются ЭВМ. Поэтому ГАП часто называют интегрированным и компьютеризированным производством.

1. Особенности проектирования технологических процессов в условиях автоматизированного производства

Основой автоматизации производства являются технологические процессы (ТП), которые должны обеспечивать высокую производительность, надежность, качество и эффективность изготовления изделий.

Характерной особенностью ТП обработки и сборки является строгая ориентация деталей и инструмента относительно друг друга в рабочем процессе (первый класс процессов). Термообработка, сушка, окраска и прочее в отличие от обработки и сборки не требуют строгой ориентации детали (второй класс процессов).

ТП классифицируют по непрерывности на дискретные и непрерывные.

Разработка ТП АП по сравнению с технологией неавтоматизированного производства имеет свою специфику:

1.Автоматизированные ТП включают не только разнородные операции механической обработки резанием, но и обработку давлением, термообработку, сборку, контроль, упаковку, а также транспортно-складские и другие операции.

2.Требования к гибкости и автоматизации производственных процессов диктуют необходимость комплексной и детальной проработки технологии, тщательного анализа объектов производства, проработки маршрутной и операционной технологии, обеспечения надежности и гибкости процесса изготовления изделий с заданным качеством.

3.При широкой номенклатуре изделий технологические решения многовариантны.

4.Возрастает степень интеграции работ, выполняемых различными технологическими подразделениями.

Основные принципы построения технологии механообработки в АПС

1.Принцип завершенности . Следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной АПС без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения или вспомогательные отделения.

2.Принцип малооперационной технологии. Формирование ТП с максимально возможным укрупнением операций, с минимальным числом операций и установок в операциях.

3.Принцип «малолюдной» технологии. Обеспечение автоматической работы АПС в пределах всего производственного цикла.

4.Принцип «безотладочной» технологии . Разработка ТП, не требующих отладки на рабочих позициях.

5.Принцип активно-управляемой технологии. Организация управления ТП и коррекция проектных решений на основе рабочей информации о ходе ТП. Корректироваться могут как технологические параметры, формируемые на этапе управления, так и исходные параметры технологической подготовки производства (ТПП).

6.Принцип оптимальности . Принятие решения на каждом этапе ТПП и управления ТП на основе единого критерия оптимальности.

Помимо рассмотренных для технологии АПС характерны и др. принципы: компьютерной технологии, информационной обеспеченности, интеграции, безбумажной документации, групповой технологии.

2. Типовые и групповые ТП

Типизация технологических процессов для сходных по конфигурации и технологическим особенностям групп деталей предусматривает их изготовление по одинаковым ТП, основанным на применении наиболее совершенных методов обработки и обеспечивающим достижение наивысшей производительности, экономичности и качества. Основа типизации - правила обработки отдельных элементарных поверхностей и правила назначения очередности обработки этих поверхностей. Типовые ТП находят применение, главным образом, в крупносерийном и массовом производстве.

Принцип групповой технологии лежит в основе технологии переналаживаемого производства - мелко- и среднесерийного. В отличие от типизации ТП при групповой технологии общим признаком является общность обрабатываемых поверхностей и их сочетаний. Поэтому групповые методы обработки характерны для обработки деталей с широкой номенклатурой.

И типизация ТП, и метод групповой технологии являются основными направлениями унификации технологических решений, повышающей эффективность производства.

Классификация деталей

Классификацию производят в целях определения групп технологически однородных деталей для их совместной обработки в условиях группового производства. Выполняют ее в два этапа: первичная классификация, т. е. кодирование деталей обследуемого производства по конструктивно-технологическим признакам; вторичная классификация, т. е. группирование деталей с одинаковыми или несущественно отличающимися признаками классификации.

При классификации деталей нужно учитывать следующие признаки: конструктивные - габаритные размеры, массу, материал, вид обработки и заготовки; число операций обработки; точностные и другие показатели.

Группирование деталей выполняют в такой последовательности: выбор совокупности деталей на уровне классов, например тела вращения для механообрабатывающего производства; выбор совокупности деталей на уровне подкласса, например детали типа вала; классификация деталей по комбинации поверхностей, например валы с комбинацией гладких цилиндрических поверхностей; группирование по габаритным размерам с выделением областей с максимальной плотностью распределения размеров; определение по диаграмме областей с наибольшим числом наименований деталей.

Технологичность конструкций изделий для условий АП

Конструкция изделия считается технологичной, если для его изготовления и эксплуатации требуются минимальные затраты материалов, времени и средств. Оценка технологичности проводится по качественным и количественным критериям отдельно для заготовок, обрабатываемых деталей, сборочных единиц.

Детали, подлежащие обработке в АП, должны быть технологичны, т. е. просты по форме, габаритам, состоять из стандартных поверхностей и иметь максимальный коэффициент использования материала.

Детали, подлежащие сборке, должны иметь как можно больше стандартных поверхностей соединений, простейших элементов ориентации сборочных единиц и деталей.

3. Особенности проектирования технологических процессов изготовления деталей на автоматических линиях и станках с ЧПУ

Автоматическая линия - это непрерывно действующий комплекс взаимосвязанного оборудования и системы управления, где необходима полная временная синхронизация операций и переходов. Наиболее эффективными методами синхронизации являются концентрация и дифференциация ТП.

Дифференциация технологического процесса, упрощение и синхронизация переходов - необходимые условия надежности и производительности. Чрезмерная дифференциация приводит к усложнению обслуживающего оборудования, увеличению площадей и объема обслуживания. Целесообразная концентрация операций и переходов, не снижая практически производительность, может быть осуществлена путем агрегатирования, применением многоинструментальных наладок.

Для синхронизации работы в автоматической линии (АЛ) определяется лимитирующий инструмент, лимитирующий станок и лимитирующий участок, по которым устанавливается реальный такт выпуска АЛ (мин) по формуле

где Ф - действительный фонд работы оборудования, ч; N -программа выпуска, шт.

Для обеспечения высокой надежности АЛ разделяют на участки, которые связаны друг с другом через накопители, осуществляющие так называемую гибкую связь между участками, обеспечивая независимую работу смежных участков в случае отказа на одном из них. Внутри участка сохраняется жесткая связь. Для оборудования с жесткой связью важно планировать время и длительность плановых остановок.

Станки с ЧПУ дают высокую точность и качество изделий и могут использоваться при обработке сложных деталей с точными ступенчатыми или криволинейными контурами. При этом снижается себестоимость обработки, квалификация и число обслуживающего персонала. Особенности обработки деталей на станках с ЧПУ определяются особенностями самих станков и в первую очередь их системами ЧПУ, которые обеспечивают:

1)сокращение времени наладки и переналадки оборудования; 2)увеличение сложности циклов обработки; 3) возможность реализации ходов цикла со сложной криволинейной траекторией; 4) возможность унификации систем управления (СУ) станков с СУ другого оборудования; 5) возможность использования ЭВМ для управления станками с ЧПУ, входящими в состав АПС.

Основные требования к технологии и организации механической обработки в переналаживаемых АПС на примере изготовления основных типовых деталей

Для разработки технологии в АПС характерен комплексный подход - детальная проработка не только основных, но и вспомогательных операций и переходов, включая транспортировку изделий, их контроль, складирование, испытания, упаковку.

Для стабилизации и повышения надежности обработки применяют два основных метода построения ТП:

1)использование оборудования, обеспечивающего надежную обработку почти без участия оператора;

2)регулирование параметров ТП на основе контроля изделий в ходе самого процесса.

Для повышения гибкости и эффективности в АПС используют принцип групповой технологии.

4. Особенности разработки ТП автоматизированной и роботизированной сборки

Автоматизированная сборка изделий выполняется на сборочных автоматах и АЛ. Важным условием разработки рационального ТП автоматизированной сборки является унификация и нормализация соединений, т. е. приведение их к определенной номенклатуре видов и точностей.

Главным отличием роботизированного производства является замена сборщиков сборочными роботами и выполнение контроля контрольными роботами или автоматическими контрольными устройствами.

Роботизированная сборка должна выполняться по принципу полной взаимозаменяемости или (реже) по принципу групповой взаимозаменяемости. Исключается возможность подгонки, регулировки.

Выполнение операций сборки должно проходить от простого к сложному. В зависимости от сложности и габаритов изделий выбирают форму организации сборки: стационарную или конвейерную. Состав РТК - это сборочное оборудование и приспособления, транспортная система, операционные сборочные роботы, контрольные роботы, система управления.