Проектирование систем автоматизированного машиностроения

Москва              2022

(ИНФРА-М)

ния : учебник / А.А. Иванов. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2022. — 

(Высшее образование: Бакалавриат).

В учебнике рассмотрены понятия и принципы функционирования си-

стем автоматизированного машиностроения, концепции комплексно ав-
томатизированного производства и структура интегрированной производ-
ственной системы, Приведены схемы материальных и информационных 
потоков интегрированных систем, а также диаграммы и зоны эффективной 
автоматизации. Сформулированы организационно-технологические осно-
вы комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства. 
Представлены специализированные и универсальные средства автоматиза-
ции входа и выхода технологического оборудования, комплексов и линий, 
построенные на принципах контактного и бесконтактного взаимодействия, 
а также транспортно-накопительные системы. Приведены задачи и этапы 
проектирования систем автоматизированного машиностроения.

Учебник предназначен студентам технических вузов, обучающимся 

по направлениям подготовки «Автоматизация технологических процессов 
и производств» и «Конструкторско-технологическое обеспечение машино-
строительных производств», включая учебные программы для бакалавров, 
магистров и дипломированных специалистов, будет также полезен препода-
вателям специальных дисциплин в области автоматизированного машино-
строения и специалистам по разработке средств автоматизации.

ISBN 978-5-91134-899-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-009899-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-110171-1 (ИНФРА-М, online)

ISBN 978-5-91134-899-1 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-009899-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-110171-1 (ИНФРА-М, online)

Введение

Задача дальнейшего наращивания объемов производства без привлечения дополнительной рабочей силы может быть успешно решена
прежде всего за счет комплексной автоматизации основных и вспомогательных операций производственного цикла. Понятие автоматизации возникло в начале двадцатого столетия и первоначально
включало лишь процессы автоматизации материальных потоков на
предприятиях крупносерийного и массового производства. В силу отсутствия систем автоматизации информационных потоков основу автоматизации в то время составляли различные механические средства
управления, которые задавали механизмам технологических машин
требуемую последовательность действий и не имели необходимой
гибкости по быстрой переналадке оборудования.
Только в середине ХХ века с появлением в производстве ЭВМ,
станков с ЧПУ и промышленных роботов, с повышением их функциональных способностей и обогащением программных средств появилась возможность комплексной обработки информации и управления ходом производства в масштабе предприятия с определенной
гибкостью [1, 3]. В машинои приборостроении наблюдается тенденция смещения центра тяжести от производства со стабильной узкой
номенклатурой изделий к многономенклатурным производствам с
быстрой сменяемостью программы, в результате чего среднее время
жизни изделий уменьшается с 7—8 до 2—3 лет и менее. Согласно мировым прогнозам эта тенденция сохранится и в обозримом будущем.
Многономенклатурное производство будет доминировать, составляя
до 80 % общего объема промышленного производства. Указанная
тенденция, а также постепенный отток кадров из промышленного
производства в сферу обслуживания явились важнейшими причинами, обусловившими качественно новый подход к решению вопросов
комплексной автоматизации — созданию гибких производственных
систем (ГПС), обладающих возможностью быстрой переналадки технических средств на выпуск другого изделия.

Современные достижения в области технологии, роботизации и
средств вычислительной техники обеспечивают реальные предпосылки создания автоматизированных производств на базе малолюдной (а
впоследствии безлюдной) технологии. Системный подход к вопросу
создания переналаживаемых автоматизированных производств требует одновременного и взаимоувязанного решения ряда научнотехнических, технологических и организационных задач [6, 9, 23].
В данном учебнике представлено описание системного окружения гибких производств, аппаратного и программного обеспечения
многоуровневых систем управления интегрированными производственными комплексами, и показано взаимодействие подсистем информационной структуры гибких производств с типовыми элементами общего программного обеспечения. Определены функциональные
связи между производительностью и основными параметрами систем, позволяющие проектировать средства автоматизации с максимальной производительностью и повышенными качественными характеристиками изделий. Рассматриваются понятия и принципы
функционирования систем автоматизированного машиностроения,
концепции комплексно автоматизированного производства и структура интегрированной производственной системы, включающей
стратегический, тактический и исполнительный уровни планирования и управления. Приводятся подробные схемы материальных и информационных потоков интегрированных систем, а также диаграммы
и зоны эффективной автоматизации. Сформулированы организационнотехнологические основы комплексной автоматизации массового и мелкосерийного производства. Представлены специализированные и универсальные средства автоматизации входа и выхода технологического оборудования, комплексов и линий, построенные на
принципах контактного и бесконтактного взаимодействия, а также
системы точного позиционирования с приводом на основе обратного
пьезоэффекта, обеспечивающего работу системы в нанометрическом
диапазоне и транспортнонакопительные системы. Показаны задачи
и этапы проектирования систем автоматизированного машиностроения.

4
Введение

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ПРИНЦИПЫ
И СТРУКТУРА СИСТЕМ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

1.1. Схемы материальных и информационных потоков
в автоматизированном машиностроении

Опираясь на укрупненную структуру автоматизированного производства (АП), рассмотрим общую схему материальных и информационных потоков (рис. 1.1). На входе системы располагается пост
приемки материалов, заготовок и комплектующих ПМЗК, поступающих с предприятийкооператоров и с заготовительного производства.
Информация о приеме и размещении грузов ПРГ поступает на ЭВМ
производственного контроля ПК, которая управляет порядком перемещения грузов ППГ. Одновременно информация о потребности в
материалах ПМ поступает в центральную контрольную систему ЦКС,
которая связана с автоматическими складами материалов, заготовок
АСМЗ и готовых деталей АСГД.
Обработку данных, анализ и планирование производства осуществляет центральная ЭВМ, в которую вводится соответствующее производственное задание ПЗ. Материальные потоки заготовок, деталей
и изделий замыкаются, в основном, между автоматическими складами, автоматическим обрабатывающим комплексом АОК, автоматическим сборочным комплексом АСК и постом финишного контроля
ФК. Информация об окончании обработки КО поступает в ЦКС, а
управляющая информация о плане обработки ПОб и результате обработки РО от ЭВМ ПК — в обрабатывающий комплекс.
В ЭВМ ПК поступают результаты контроля РК с поста ФК. На
центральную ЭВМ, минии микроЭВМ возложены также функции

прогнозирования и обнаружения критических ситуаций и управления
ходом производственного процесса. ГПС как комплексная производственная система функционирует в тесном взаимодействии со всеми
основными подсистемами.
Более детально схемы материальных и информационных потоков
представлены на рис. 1.2. На схеме материальных потоков (рис. 1.2, а)
хорошо виден сквозной характер производства на исполнительном
уровне (связи по горизонтали). Исходные материалы ИМ (прутки,
полосы, рулоны, листы и др.) хранятся на складе АС ИМ, откуда они
по запросам подаются на производство заготовок, где осуществляются разделение длинномерных материалов на штучные заготовки, холодная и горячая штамповка и литье.
Штучные заготовки Шт.З попадают на склад АС Шт.З и далее на
участки механической обработки резанием, давлением и др. Эти участки относятся к основному производству и содержат разнообразные
металлорежущие станки: токарной и фрезерной групп, зубообрабатывающие и резьбонарезные станки, сверлильные, профильношлифовальные и станки для доводочных операций (хонингование, выглаживание, полировка и т. п.).
Отдельный участок выделен для покрытия деталей. Готовые детали Д и комплектующие К хранятся на складе АС Д и К, из которого
они подаются на участок сборки узлов и изделий. Собранные изделия

6
Глава 1. Основные понятия, принципы и структура...

Рис. 1.1. Общая схема материальных (сплошные линии) и информационных
(штриховые линии) потоков в автоматизированном производстве

1.1. Схемы материальных и информационных потоков...
7

Рис. 1.2. Развернутые схемы материальных (а) и информационных (б) потоков в АП:
ИМ — исходные материалы; Шт.З — штучные заготовки; Д и К — детали и комплектующие; ГП — готовая продукция;
СИО — система инструментального обеспечения

проходят пост испытаний и контроля ОТК и транспортируются на
склад готовой продукции АС ГП. Последним пунктом является участок комплектования заказов и отгрузки готовой продукции ГП потребителям. Специальная транспортнонакопительная система обеспечивает производственные участки комплектами технологической
оснастки и инструмента, а также осуществляет удаление с участков
брака, стружки и других отходов.
Таким образом, технические средства, обеспечивающие автоматизацию материальных потоков, представляют собой сложные механические системы, включающие обрабатывающие центры, сборочные комплексы и линии, операционные и транспортные роботы,
автоматические складынакопители, устройства инструментального обеспечения и разнообразные наборы технологической оснастки
[2, 12].
Схема информационных потоков (рис. 1.2, б) включает все основные подсистемы автоматизированного производства. Исходные данные ИД вводятся в объединенную САПР конструктора и технолога
(САПРК и САПРТ), которые располагают соответствующими базами данных. САПРК решает задачи автоматизированного проектирования объектов производства, а САПРТ — задачи технологической
подготовки производства АСТПП и создания библиотеки типовых
технологических процессов. Управляющая и управляемая части связаны между собой автоматизированной системой управления АСУ и
системой автоматизированного контроля и диагностирования САКД.
Система управления производством АСУП решает вопросы стратегии развития предприятия, финансовые и кадровые вопросы, а также вопросы оперативнокалендарного планирования. Система управления технологическими процессами АСУ ТП выполняет важнейшую
задачу управления качеством выпускаемой продукции путем оптимального управления параметрами технологического процесса и оборудования. Необходимую информацию для реализации этой задачи
поставляет САКД. По результатам альтернативного контроля и испытаний готовая продукция сортируется на группы: годные и брак (технологические потери).
Схема информационных потоков показывает, что современное
машиностроительное предприятие является сложной экономической
системой, содержащей большое число взаимосвязанных элементов с
организованными связями между ними для координации действий и
управления системой. Информация о ходе выполнения управляющих
команд и реальном состоянии объекта управления по каналам обратной связи поступает на вход управляющей системы, где сравнивается

8
Глава 1. Основные понятия, принципы и структура...

с информацией о требуемом состоянии объекта, в результате чего вырабатывается управляющее воздействие.
Таким образом, управление предприятием представляет собой
процесс непрерывного обмена информацией между всеми структурными подразделениями. Потоки производственной информации, передаваемые в определенные промежутки времени по каналам связи,
отражают материальные процессы, протекающие в системе на уровне
предприятия (или производства). Структура информации включает
различные комбинации информационных совокупностей, измеряемых номенклатурами, которые состоят из позиций, предварительно
сгруппированных по какомулибо признаку качественной однородности. При автоматической обработке информации позициям присваивается условное сокращенное обозначение: код или индекс
(идентификатор). Информационные совокупности подразделяются
на реквизиты, показатели, документы и массивы [7]. По периодичности поступающая информация подразделяется на оперативную
(квартальную) и перспективную (годовую), а по времени хранения и
пользования — на постоянную (например, нормативносправочная)
и переменную, отражающую непрерывные текущие изменения в
производстве.

1.2. Понятие интегрированной производственной системы

Системный подход к решению задачи комплексной автоматизации производства реализуется путем создания интегрированных производственных систем (ИПС). ИПС решает все вопросы, связанные с
производством любых изделий: от автоматизированного проектирования и технологии их изготовления до автоматического управления
технологическим оборудованием и выпуска готовой продукции (ГП).
ИПС включает три уровня автоматизации, планирования и управления производством (рис. 1.3).
Стратегическому уровню соответствует перспективный план
предприятия, создаваемый в результате прогнозирования производства на основе изучения сбыта, спроса и экономической ситуации в
целом. Кроме перспективного плана, на этом уровне разрабатываются годовой и квартальный планы, а также комплекс мероприятий по
управлению производством [13, 22].
Тактическому уровню соответствует оперативное планирование
производства с детализацией до месячного и суточного планов. Пла1.2. Понятие интегрированной производственной системы
9

нирование производственной деятельности включает программу выпуска изделий, планы обеспечения заготовками и покупными изделиями, планы и графики обработки и сборки деталей, узлов и изделий, план технического обслуживания производственных процессов
(технология, оборудование, оснастка и инструмент). На тактическом
уровне осуществляется и информационнопрограммное обеспечение
управления производством.
Исполнительный (или командный) уровень обеспечивает сквозное
управление технологическим оборудованием в реальном масштабе
времени от ввоза исходных материалов (ИМ) до отгрузки готовой
продукции потребителям. Управление охватывает приемку, контроль
и складирование заготовок и комплектующих, механическую обработку, сборку, выходной контроль, упаковку и распределение готовой
продукции по заказчикам. К исполнительному уровню относятся также вопросы, связанные с эксплуатацией инженерных сетей и охраной
окружающей среды.
В основу ИПС, кроме интеграции и иерархичности структуры,
положены принципы автономности, модульности, инвариантности.
ИПС как комплексная производственная система функционирует в
тесном взаимодействии с рядом подсистем (рис. 1.4), основными из
которых являются САПР, АСТПП, АСУП и АСУ ТП, автоматизированная система диагностирования АСД технических средств, автома10
Глава 1. Основные понятия, принципы и структура...

Рис. 1.3. Иерархия уровней автоматизации, планирования и управления производством в сквозной интегрированной системе:
ГАП — гибкое автоматизированное производство