Основы автоматизации производственных процессов в машиностроении

 
 
 
Т. А. БАКУНИНА  
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ  
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 
1 
 

УДК 621:681.5  
ББК 34.6:32.965 
Б19 
 
Рекомендовано методическим советом  
Рыбинского государственного авиационного технического университета 
имени П. А. Соловьева в качестве 
учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бакунина, Т. А.  
Б19 
 
Основы автоматизации производственных процессов в машиностроении : учебное пособие / Т. А. Бакунина. - Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2019. - 192 с. : ил., табл.  
 
ISBN 978-5-9729-0373-3 
 
Предложены сведения об основных направлениях автоматизации заготовительного, механообрабатывающего и механосборочного производств. Освещены принципы компоновки автоматизированного оборудования и автоматизированных производственных систем. Рассмотрены средства и способы автоматизации производства в машиностроении, порядок проектирования автоматизированных и автоматических технологических процессов сборки и механической обработки, а также соответствующее технологическое оборудование. 
Для студентов среднего и высшего профессионального образования машиностроительных специальностей. 
 
УДК 621:681.5  
 
ББК 34.6:32.965 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0373-3 
” Бакунина Т. А., 2019 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
2 
 

 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ  
...................................................................................................... 6 
 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ 
ПРОИЗВОДСТВА  .......................................................................................... 9  
† 1.1. Основные понятия и определения  
........................................................ 9 
 
† 1.2. Объекты автоматизации, показатели уровня автоматизации  .......... 10 
 
† 1.3. Условия, вызывающие необходимость автоматизации  ................... 16 
 
ГЛАВА 2. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
ПРОИЗВОДСТВ  ........................................................................................... 18 
 
Методика оценки технологичности деталей для  
автоматизированных производств  
................................................................ 18 
 
 
ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ РАБОТ В ЗАГОТОВИТЕЛЬНОМ  
ПРОИЗВОДСТВЕ  
......................................................................................... 24 
 
† 3.1. Автоматизация работ в литейных цехах  
............................................ 24 
 
† 3.2. Автоматизация работ в кузнечно-штамповочных цехах .................. 27 
† 3.3. Автоматизация работ по сварке и резке металлов 
............................. 32 
 
ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ  
ОБРАБОТКИ 
.................................................................................................. 33 
 
† 4.1. Особенности проектирования технологических процессов  
в условиях автоматизированного производства ................................ 33 
† 4.2. Основные принципы разработки технологии .................................... 35 
† 4.3. Типовые и групповые технологические процессы ............................ 36 
 
ГЛАВА 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗАГРУЗКИ  
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ  ......................................................... 39 
 
† 5.1. Автоматизированные системы загрузки станков  
непрерывными заготовками 
................................................................. 40 
† 5.2. Автоматизированные системы загрузки станков  
штучными заготовками ........................................................................ 43 
 
† 5.3. Автоматизированные системы управления  
металлорежущими станками 
................................................................ 63 
 
ГЛАВА 6. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ  
МЕХАНООБРАБОТКИ  .............................................................................. 72 
† 6.1. Основное оборудование автоматических линий................................ 75 
 
† 6.2. Автоматизированная транспортная система  
промышленных предприятий .............................................................. 79 
3 
 

 
† 6.3. Шаговые конвейеры автоматических линий 
...................................... 81 
† 6.4. Средства ориентации заготовок автоматических линий 
................... 84 
† 6.5. Контрольные устройства автоматических линий .............................. 86 
 
† 6.6. Расчет производительности автоматических линий ......................... 88 
 
ГЛАВА 7. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ МОДУЛИ  
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ................................................................... 91 
 
Гибкие производственные модули ................................................................ 92 
 
ГЛАВА 8. ГИБКИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ЛИНИИ ................ 98 
 
ГЛАВА 9. ОСНОВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ  
КОНТРОЛЯ 
.................................................................................................. 101 
† 9.1. Классификация средств измерения ................................................... 101 
 
† 9.2. Измерительные преобразователи ...................................................... 102 
 
† 9.3. Пассивный и активный контроль ...................................................... 103 
† 9.4. Координатно-измерительные машины ............................................. 105 
 
ГЛАВА 10. МЕХАНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ  
ОТДЕЛОЧНО-ЗАЧИСТНЫХ ОПЕРАЦИЙ 
.......................................... 108 
 
† 10.1. Вибрационная обработка 
.................................................................. 108 
† 10.2. Центоробежно-ротационная обработка .......................................... 111 
† 10.3. Струйно-абразивная обработка 
........................................................ 113 
† 10.4. Турбоабразивная обработка ............................................................. 113 
† 10.5. Электрохимическая обработка......................................................... 114 
† 10.6. Расчет производительности химико-механических  
методов обработки ............................................................................ 115 
 
ГЛАВА 11. ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ 
............. 116 
 
† 11.1. Автоматизированная транспортно-складская система  
на основе автоматизированного склада 
.......................................... 116 
† 11.2. Автоматизированная система инструментального обеспечения ... 120 
† 11.3. Автоматизация удаления отходов производства (АУОП) 
............ 122 
† 11.4. Система автоматизированной подачи СОТС ................................. 126 
† 11.5. ГПС механообработки ...................................................................... 129 
 
† 11.6. Структура ГПС на основе теории массового обслуживания 
........ 136 
 
ГЛАВА 12. АВТОМАТИЗАЦИЯ СБОРКИ 
............................................ 140 
 
† 12.1. Классификация видов соединений  
и автоматизированных сборочных процессов ............................... 143 
 
† 12.2. Базирование и типы соединений при автоматизации  
сборочных процессов 
........................................................................ 145 
 
† 12.3. Анализ конструкции изделия и его сборочных единиц  
на технологичность  .......................................................................... 151 
4 
 

 
† 12.4 Требования к качеству изделий, обеспечиваемому сборкой 
......... 153 
† 12.5. Особенности выбора и реализации методов достижения  
точности при автоматической сборке ............................................. 153 
† 12.6. Общие условия автоматической собираемости деталей  
.............. 156 
 
 
ГЛАВА 13. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА  
АВТОМАТИЧЕСКОЙ СБОРКИ ............................................................. 159 
† 13.1. Разработка маршрутной технологии общей и узловой  
автоматической сборки 
..................................................................... 161 
† 13.2. Типовые и групповые технологические процессы сборки ........... 162 
 
ГЛАВА 14. СБОРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ...................................... 164 
† 14.1. Классификация сборочного оборудования 
..................................... 164 
† 14.2. Сборочные автоматические и автоматизированные линии 
.......... 171 
† 14.3. Робото-технологические комплексы сборки 
.................................. 177 
† 14.4. Гибкие производственные системы сборки ................................... 180 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................... 188 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................... 190 
 
 
 
5 
 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Интенсификация производства в машиностроении и повышение его эффективности возможны при существенном росте производительности технологического оборудования, широкой его автоматизации и решении вопроса автоматизации вспомогательных работ. Создание и внедрение в производство новейших конструкций машин, механизмов и приспособлений, отвечающих современным мировым стандартам, возможно при наличии высокопроизводительного автоматизированного и автоматического оборудования. С внедрением 
в производство автоматизированных прогрессивных технологических процессов все шире применяются станки с ЧПУ, промышленные роботы (ПР), гибкие 
производственные системы (ГПС), управляемые ЭВМ. 
В машиностроении процесс автоматизации развивается ускоренными  
темпами и охватывает целые производственные комплексы, участки, цехи 
 и заводы. Автоматизация развивается также одновременно с комплексной  
механизацией, она часто возникает и развивается на базе комплексномеханизированного производства. 
Комплексная автоматизация производства на основе сплошной механизации, научной организации труда, широкого применения прогрессивной технологии и вычислительной техники - основное направление технического прогресса в современном машиностроении. Автоматизируются складские и транспортные операции, входной контроль, резка и раскрой материалов, рабочие и 
вспомогательные операции на станках (установка и фиксация заготовки, подвод 
и замена инструментов, перемещение на позициях обработки и отвод готовых 
деталей, подналадка станков). Осуществляется автоматическое регулирование 
режимов обработки и активный контроль изделий на станках. Создаются станки-автоматы, в том числе с программным управлением, автоматические линейные и роторные многооперационные агрегаты, жёсткие и гибкие автоматические поточные линии с гидравлическими, пневматическими, электрическими 
или комбинированными системами управления. 
Жёсткие автоматические линии не допускают смену номенклатуры изделий, поэтому получают распространение секционные линии, составляемые из 
независимых агрегатных многооперационных станков, которые объединяются 
транспортёрами, элеваторами и конвейерами, оснащёнными механическими 
«пальцами» и «руками». Группы таких станков образуют секции и параллельные линии. При этом у каждого станка создаётся некоторый запас деталей для 
постоянной загрузки главного конвейера линии; уход за станками и смена инструмента производятся без её остановки. Станки делают блочными, с взаимосвязанными узлами, у которых сохраняются силовые установки, каретки и заменяются только приспособления, инструмент и некоторые блоки, зависящие 
от конструктивных особенностей изделия.  
6 
 

 
У металлообрабатывающих станков с программным управлением пол- 
ный автоматизм рабочего цикла достигается при сохранении универсально- 
сти станка: при обработке деталей различной конфигурации заменяется лишь 
программа. Сочетание программного управления с динамическим регулированием режимов резания исключает необходимость подналадки станка вследствие неточности установки инструмента или по мере его износа, повышает 
производительность станка и позволяет полнее использовать мощность его 
двигателя. 
Средства автоматики позволяют переходить к более совершенным методам производства, при которых эти потери значительно уменьшаются, а общая 
производительность растёт. Технологическая перестройка машиностроения 
преследует цель совмещения процессов нагрева, литья, пластической деформации; термической, механической, электрической и других видов обработки и 
сборки с транспортными и контрольными процессами для осуществления непрерывного автоматизированного производства.  
Электрофизические и электрохимические процессы, применение порошковой металлургии, металлокерамики, пластобетонов, полимеров, стекловолокна 
и других неметаллических материалов в молекулярном сцеплении с металлами 
стали базой прогрессивной технологии, обеспечивающей повышение непрерывности производства и способствующей автоматизации производства. Электроэрозионные процессы во многих случаях (особенно для специальных сплавов, плохо поддающихся обработке резанием) заменяют механическую обработку: они существенно увеличивают скорость и точность обработки и значительно сокращают непроизводительный отход металла в стружку и расход 
энергии. Обработка методами пластической деформации, электротехническими, электрохимическими, химическими, гидравлическими и другими, более 
эффективными процессами хотя и вытесняет в машиностроительной технологии обработку резанием, но не исключает необходимости её совершенствования. Развитие процессов резания на автоматическом оборудовании требует 
научного обоснования повышения скоростей и точности токарной, фрезерной, 
строгальной, шлифовальной и других видов обработки.  
Автоматизация сборочных процессов - одна из наиболее сложных и актуальных проблем машиностроения. Автоматизация не только даёт большой экономический эффект, но и способствует значительному повышению надёжности 
изготовляемых машин, аппаратов и приборов, т. к. в этом случае процесс сборки не зависит от квалификации сборщика. Однако автоматизация сборки требует высокой степени взаимозаменяемости деталей и узлов, при условии, что особенности технологии автоматизированной сборки учитываются уже в процес- 
се конструирования изделий, проектирования машин, аппаратов и приборов.  
В наибольшей степени условиям автоматизации отвечают модульные и блочные конструкции, печатный монтаж электрических схем, широкое применение 
неразъёмных соединений на основе запрессовки, холодной сварки и склеивания, а также замена болтовых и винтовых соединений технологически прогрессивными и более удобными в эксплуатации разъёмными соединениями.  
7 
 

 
Качество собранных узлов и изделий в целом непрерывно контролируется 
в ходе автоматической сборки. При автоматизации производства следует исходить не только из возможностей существующей технологии, но и из возможностей применения новых высокоэффективных технологических процессов, в основе которых лежат последние достижения современной науки и техники. Прогрессивная технология обеспечивает возможность значительного повышения 
производительности труда, использования автоматизированных и автомати- 
ческих систем машин не только в отрасли, где эта технология используется,  
но и в смежных отраслях.  
 
 
8 
 

 
 
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ 
АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА 
 
† 1.1. Основные понятия и определения 
 
Автоматизация производственных процессов, обеспечивая постоянное 
увеличение выпуска продукции, повышение ее качества, в свою очередь, 
предъявляет ряд требований, направленных на совершенствование продукции  
и производственных процессов: 
 повышение технологичности деталей, сборочных единиц и изделий  
в целом, унификация их конструкций; 
 повышение точности заготовок, обеспечение стабильности припуска, 
совершенствование методов получения заготовок; 
 создание автоматических линий и систем машин для комплексного изготовления деталей и сборки изделий с включением всех операций технологического процесса (заготовительных, обработки резанием, термической 
обработки, гальванической обработки, контроля, сборки, упаковки и др.); 
 развитие прогрессивных технологических процессов, создание новых 
методов обработки деталей, разработка новых типов режущих инструментов; 
 повышение степени непрерывности процессов, замена, где это возможно, дискретных процессов непрерывными; 
 развитие теории комплексной оптимизации технологических процессов, 
включающей в себя выбор или разработку наиболее эффективных методов и приемов выполнения операций обработки поверхности деталей, 
выбор наиболее рациональной структуры процесса. 
При этом главным является не только существенное увеличение количества применяемых в производстве средств автоматизации и механизации,  
но и качественное изменение работ в этой области, переход от локальных 
(частных) задач к комплексным. Автоматизация технологических процессов, 
как и любая наука, должна иметь весьма четкую и точную формулировку основных понятий, чтобы обеспечить единое толкование сущности рассматриваемых явлений, решаемых задач и возникающих вопросов. 
В учебном пособии изложен материал, в котором с научных позиций даны 
основные принципы, способы и средства автоматизации производства в машиностроении. 
Автоматизация производственных процессов есть комплекс мероприятий 
по разработке новых прогрессивных технологических процессов и проектированию на их основе высокопроизводительного технологического оборудования, 
осуществляющего рабочие и вспомогательные процессы без непосредственного 
участия человека.  
9 
 

 
Это не только автоматизация технологических процессов механической 
обработки (создание токарных, шлифовальных, фрезерных автоматов, агрегатных станков и т. д.), но и автоматизация процессов контроля и сборки (создание 
контрольных и сборочных автоматов и автоматических линий для сборки); автоматизация заготовительных цехов (литейных, кузнечных и др.); автоматизация вспомогательных цехов (инструментальных, ремонтных, модельных).  
Функции человека - контроль за работой машины, устранение отклонений 
от заданного процесса (подналадка), наладка автоматизированной машины  
на обработку другого изделия. При этом человек не должен принимать участие 
в изготовлении каждого изделия, а в освобожденное время на него возлагаются 
функции обслуживания ряда автоматов. Рабочий получает высокую квалификацию и становится наладчиком, стирается грань между рабочим и инженернотехническим работником. 
Различают автоматизацию производства трех уровней: частичную, комплексную и полную. Частичная автоматизация ограничивается автоматизацией отдельных операций технологического процесса, например с использованием станков с автоматическим управлением, в т. ч. станков с ЧПУ.  
Комплексная автоматизация - это автоматизация производственных процессов изготовления деталей и сборки с использованием автоматических систем машин: автоматических линий, гибких производственных систем (ГПС). 
 Полная автоматизация - высшая ступень автоматизации, при которой все 
функции контроля и управления производством выполняются автоматами. 
Ступень внедрения автоматизации от одной операции до всей промышленности по стандарту обозначается цифрами от 1 до 10: 1 - единичная технологическая операция; 2 - законченный технологический процесс; 3 - система 
технологических процессов, выполняемых на производственном участке (отделении); 4 - система технологических процессов, выполняемых в пределах цеха 
(в системе участков); 5 - система технологических процессов, выполняемых  
в пределах группы технологически однородных цехов; 6 - система технологических процессов, выполненных в пределах предприятия (в системе групп цехов); 7 - система технологических процессов, выполняемых в пределах производственных фирм или научно-производственных объединений (в системе отдельных предприятий); 8 - система технологических процессов, выполняемых  
в пределах территориально-экономического региона (в системе отдельных 
фирм объединений); 9 - система технологических процессов, выполняемых  
в пределах отрасли промышленности (в системе регионов); 10 - система технологических процессов, выполняемых на уровне промышленности всей страны 
(в системе отраслей). 
 
 
† 1.2. Объекты автоматизации, показатели уровня автоматизации 
 
Автоматизацию в машиностроении не следует понимать лишь как процесс 
внедрения элементов и схем автоматики, насыщения ими существующих или 
10