Основы автоматизации производственных процессов в машиностроении


Т. А. Бакунина





ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ



Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

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, 2О19.-192с.:ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-О373-3


    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
ББК34.6:32.965












ISBN 978-5-9729-О373-3

     © БакунинаТ.А.,2О19
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2О19
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2О19

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ....................................................6

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ...............................................9
§1.1 . Основные понятия и определения.......................9
§   1.2. Объекты автоматизации, показателиуровня 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 системыуправления 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. Вибрационнаяобработка...............................108
§ 10.2. Центоробежно-ротационная обработка..................111
§ 10.3. Струйно-абразивнаяобработка.........................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. Автоматизированнаятранспортно-складскаясистема 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 натехнологичность.......................................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 полный автоматизм рабочего цикла достигается при сохранении универсальности 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. Элек-троэрозионные 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 процессе 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 автоматических систем машин не только в отрасли, где эта технология используется, ноив 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

вновь проектируемых конструкций машин. Автоматизация - это комплексная конструкторско-технологическая задача создания принципиально новой техники на базе прогрессивных технологических процессов обработки, контроля, сборки. При этом в качестве объектов автоматизации производственных процессов целесообразно рассматривать:
    -  труд как основу любого производственного процесса;
    -  технологический процесс, являющийся совокупностью различных форм и методов труда, применяемых для обработки деталей;
    -  оборудование как орудие реализации труда и технологического процесса;
    -  производство, объединяющее оборудование в единую систему и обеспечивающее его эффективное функционирование.
    Труд по уровню механизации и автоматизации может быть трех категорий:
    -  ручной, если процесс труда реализуется за счет мускульной или умственной энергии исполнителя без привлечения какого-либо вида энергии (сверление ручной дрелью, припиливание острых кромок напильником, перевозка заготовок на ручной тележке, оформление вручную технологического процесса и т. п.);
    -  механизированный, если процесс труда реализуется с использованием какой-либо энергии (пневматической, электрической, гидравлической и др.), но управление процессом труда осуществляет работник, выполняющий данную работу (сверление электрической дрелью, работа на универсальных станках с ручным управлением, перевозка заготовок на электрокаре или автомашине, распечатка техпроцесса на печатающем устройстве, контроль деталей на координатно-измерительной машине и т. п.). Механизмы, применяемые при ручном труде и обеспечивающие его частичное облегчение и удобство, не являются машинами, а называются ручными механизмами;
    -  автоматизированный, если основная доля процесса труда выполняется автоматически, а рабочий выполняет только отдельные, чаще всего вспомогательные переходы или дает какие-либо управляющие команды для продолжения автоматизированного труда (обслуживание патронных полуавтоматов или станков с ЧПУ, когда рабочий меняет обработанную деталь на новую заготовку, управление адресным краном-штабелером, измерение детали на контрольном полуавтомате и т. п.);
    -  автоматический, если весь процесс труда обеспечивается автоматически, а рабочий только наблюдает или периодически контролирует правильность работы оборудования (работа на металлообрабатывающих автоматах или автоматических линиях, контроль деталей на контрольносортировальных автоматах, вычерчивание чертежей или разработка техпроцессов с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) и т. п.).
    Количественных характеристик оценки уровня механизации или автоматизации труда не существует.

11

    Технологические процессы характеризуются категориями механизации и автоматизации процессов труда, применяемого в технологических операциях, и оцениваются следующими показателями:
    1.      Уровень механизации (Kм) и автоматизации (Kд), рассчитываемые по формулам:

        K N N м . K ₌ N А
        K м £ N ’ А £ N ’

где Nм и Nд - количество операций в технологическом процессе, в которых применяются соответственно механизированные или автоматизированные процессы обработки детали;
    ^ N - общее количество операций в технологическом процессе.


    Уровень механизации или автоматизации может быть подсчитан или только по основным операциям, или в целом по технологическому процессу, включая и вспомогательные операции (транспортирование, складирование, контроль и др.). Уровень механизации и автоматизации рассматривает только количество операций и не учитывает их трудоемкость - этот показатель является количественной характеристикой механизации и автоматизации технологического процесса.
    2.      Степень механизации (Рм) или автоматизации (Рд), рассчитываемые по формулам:
Р. ₌ХТм ; Р. ₌ХТа_
Р м    т Р а т

где ^ Tм и ^ ТА - суммарная трудоемкость операций, выполняемых с использованием механизированного или автоматизированного труда;
    ^Т - общая трудоемкость обработки детали по технологическому процессу.

    Данный показатель является качественным, т. к. характеризует эффективность применения механизированного или автоматизированного труда.
    Оборудование по уровню механизации и автоматизации оценивается по категориям реализуемых на нем технологических операций и подразделяется на следующие категории:
    -   ручные машины, в которых используется какая-либо энергия, но они только обеспечивают облегчение труда рабочего (электродрель, пневмозубило, электрическая печатная машинка и т. п.);
    -   механизированные машины, в которых весь процесс производства обеспечивается механизированным трудом, а за рабочим остается только функция управления (станки с ручным управлением, электрокар и т. п.);


12

    -  станки-полуавтоматы, обеспечивающие автоматизированный (с некоторыми ручными элементами) процесс выполнения труда (патронные полуавтоматы, станки с ЧПУ, адресные транспортные тележки и т. д.);
    -  станки-автоматы, обеспечивающие выполнение определенного числа рабочих циклов без участия рабочего. Участие рабочего необходимо для периодического поддержания заданного качества деталей или для переналадки при переходе на выполнение другой работы (прутковые автоматы, ГПМ и т. п.);
    -  гибкие производственные модули (ГПМ), способные переходить на обработку другой детали автоматически по управляющей программе;
    -  гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), совокупность дополняющих друг друга в технологическом процессе станков с ЧПУ и ГПМ, связанных с транспортной и управляющей системами и расположенных в соответствии с технологическим маршрутом обработки детали;
    -  гибкий автоматизированный участок, цех, завод.
    В табл. 1.1 приведены значения условного количества звеньев для различных категорий оборудования.

Таблица 1.1

Значения условного количества звеньев оборудования

Категория механизмов и машин                     Условное количество     
                                                      звеньев Z          
1. Ручной труд (без механизмов)                           0              
2. Ручные механизмы                                      1,0             
3. Ручные машины                                         2,0             
4. Механизированные машины                               3,0             
5. Машины-полуавтоматы                                   3,5             
6. Машины-автоматы                                        4              
7. Гибкие производственные модули (ГПМ),                 4,5             
работающие в локальном режиме                                            
8. ГПМ, работающие в составе гибкой                      4,75            
автоматизированной линии*                                                
9. ГПМ в составе гибкого автоматизированного             5,0             
участка*                                                                 
* Примечание: гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) отличается от гибко-  
го автоматизированного участка (ГАУ) тем, что в ГАЛ оборудование распо-   
ложено в соответствии с маршрутом обработки детали, а в ГАУ расположе-    
ние оборудования произвольное                                             

     В случае если базовая модель станка модернизирована с целью повышения производительности оборудования, к числу звеньев, указанному в табл. 1.1, добавляется 0,25. Например, для универсального станка, оснащенного станочным

13