Автоматизация производственных процессов в машиностроении

В. А. Олещук









        АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.9:338.45
ББК 34.5-5-05
    0-53

Рецензенты:
зав. кафедрой машиностроения Комсомольского-на-Амуре государственного университета (ФГБОУ ВО КнАГУ)
д-р техн. наук, доцент, член-корреспондент Российской академии естествознания, доц.| М. Ю. Сирилов |,~
доцент кафедры технологии машиностроения Новосибирского государственного технического университета (ФГБОУ ВО НГТУ)
канд. техн. наук, доц. А. С. Верещагина




    Олещук, В. А.
0-53      Автоматизация производственных процессов в машиностроении :
     учебное пособие / В. А. Олещук. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 152 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1315-2

          Рассматриваются вопросы автоматизации производственных процессов в машиностроении, даны основные направления развития автоматизации. Показана загрузка технологического оборудования, применение промышленных роботов в промышленности, автоматизация контроля, автоматизация сборочных процессов. Рассматриваются конкретные методы и средства, позволяющие автоматизировать каждое направление. Объясняются принципы действия средств автоматизации производственных процессов, рассматриваются их достоинства и недостатки, области применения.
          Для студентов направлений подготовки 15.00.00 «Машиностроение», 05.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».


                                                               УДК 621.9:338.45
                                                               ББК 34.5-5-05






ISBN 978-5-9729-1315-2

     © Олещук В. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                           © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ........................................................6
1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ................................................7
1.1. Задачи автоматизации производства..........................7
1.2. Основные понятия и определения.............................8
1.3. Классификация автоматического оборудования производственных подразделений.................................11
1.4. Классификация технологических процессов и рабочих машин машиностроительных производств.................................13
1.5. Основные предпосылки автоматизации в машиностроении.....15
1.6. Производительность технологического оборудования..........16
1.7. Проблемы автоматизации и основные направления ее развития.18
1.8. Основные пути повышения производительности труда..........22
Выводы.........................................................24
Вопросы для самопроверки.......................................25
2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЗАГРУЗКИ ОБОРУДОВАНИЯ.........................26
2.1. Классификация автоматических загрузочных устройств........27
  2.1.1. Магазинные загрузочные устройства (МЗУ)...............27
  2.1.2. Бункерно-магазинные загрузочные устройства............28
  2.1.3. Бункерные загрузочные устройства (БЗУ)................29
2.2. Механизмы бункерных загрузочных устройств.................30
  2.2.1. Бункеры (емкости).....................................30
  2.2.2. Захватно-ориентирующие устройства.....................32
  2.2.3. Отсекатели............................................36
  2.2.4. Питатели..............................................37
  2.2.5. Комбинированные питатели..............................40
Выводы.........................................................41
Вопросы для самопроверки.......................................42
3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ.........................................44
3.1. Манипуляторы и промышленные роботы........................44
3.2. Классификация промышленных роботов........................46
  3.2.1. Классификация по поколениям...........................47
  3.2.2. Классификация по назначению...........................50
  3.2.3. Классификация по используемым системам координат и числу степеней подвижности.................................54
  3.2.4. Классификация по грузоподьемности.....................56


3

  3.2.5. Классификация по типу привода............................57
3.3. Системы управления промышленных роботов......................58
3.4. Информационные системы промышленных роботов..................59
3.5. Перспективы применения промышленных роботов..................61
Выводы............................................................62
Вопросы для самопроверки..........................................63
4. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ.........................................65
4.1. Основные понятия и определения курса.........................65
4.2. Этапы процесса контроля......................................68
4.3. Классификация систем контроля................................69
  4.3.1 . Классификация по уровню автоматизации процесса контроля.69
  4.3.2 Классификация по характеру воздействия на технологический процесс......................................71
4.4. Преобразователи измерительных сигналов (датчики).............81
4.5. Классификация датчиков.......................................83
  4.5.1. Классификация по типу воспринимающих элементов...........83
  4.5.2. Классификация по необходимости использования источника питания...............................................85
  4.5.3. Классификация по способу преобразования измерительного сигнала..........................................86
4.6. Электрические датчики........................................86
  4.6.1. Электроконтактные датчики................................87
  4.6.2. Ёмкостные датчики........................................90
  4.6.3. Индуктивные..............................................94
  4.6.4. Пьезодатчики.............................................97
  4.6.5. Тензодатчики.............................................99
  4.6.6. Температурные датчики...................................106
Выводы...........................................................112
Вопросы для самопроверки.........................................113
5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА СБОРКИ.................................114
5.1. Основные понятия и определения..............................114
5.2. Классификация сборочных процессов...........................115
  5.2.1. Классификация по характеру сборки.......................116
  5.2.2. Классификация методов сборки............................116
  5.2.3. Классификация по характеру движения собираемого объекта.117
5.3. Характеристика методов достижения точности при автоматической сборке........................................117
5.4. Характеристики методов организации технологических процессов сборки.................................................123

4

5.5. Требования, предъявляемые к деталям и изделиям, предназначенным для автоматической сборки..................124
5.6. Технологичность деталей, изделия, сборочных операций..125
5.7. Этапы процесса сборки.................................127
  5.7.1. Загрузка и подача деталей в рабочую зону сборочного автомата......................................129
  5.7.2. Ориентация сопрягаемых деталей....................133
  5.7.3. Сопряжение поверхностей соединяемых деталей.......135
  5.7.4. Закрепление соединения............................139
  5.7.5. Контроль..........................................140
  5.7.6. Удаление собранного узла..........................141
5.8. Перспективы автоматизации сборочных процессов.........141
Выводы.....................................................144
Вопросы для самопроверки...................................146
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................148
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК...................................149

5

    ВВЕДЕНИЕ

     Определяющими факторами успеха в промышленном производстве сегодня и в обозримом будущем является уменьшение времени выхода продукции на рынок, снижение её себестоимости, повышение качества и удовлетворение спроса потребителя. Повышение производительности труда, обеспечение стабильности качества выпускаемой продукции, мобильность и гибкость предприятия становятся необходимыми условиями его рентабельности. Обеспечить высокую гибкость производственных процессов, используя традиционные формы организации производства, не представляется возможным.
     Решить все эти проблемы можно только путем автоматизации производства. Экономические преимущества, достигаемые при использовании автоматических систем в производстве, являются следствием технических преимуществ. К ним можно отнести: возможность значительного повышения производительности труда; более экономичное использование ресурсов (труда, материалов, энергии); более высокое и стабильное качество продукции; сокращение периода времени от начала проектирования до получения готового изделия; возможность расширения производства без увеличения трудовых ресурсов.
     Автоматизация технологической подготовки производства, внедрение CAD/CAM/CAE систем, искусственного интеллекта, дополненной реальности в производственные процессы позволило значительно повысить эффективность машиностроительных предприятий.
     Автоматизация проектирования и изготовления продукции с использованием ЭВМ позволяет значительно сократить количество бумажных документов (чертежей, схем, графиков, описаний и др.), необходимых в неавтоматизированном производстве и отнимающих на их составление, хранение, передачу и использование много времени; сократить сроки проектирования и ввода изделия в серию; оптимизировать характеристики изделия ещё на стадии проектирования; ввести параллельный инжиниринг и т. п.
     Автоматическое регулирование процессов обработки предотвращает потери вследствие поломок инструментов и вынужденных простоев оборудования; обеспечивает высокую стабильность качества продукции; гибкость технологических процессов обработки деталей и сборки готового изделия.
     Автоматическое планирование и оперативное управление производством обеспечивают оптимальные организационные решения, сокращают запасы незавершенного производства. Выпуск продукции заданного качества в требуемом количестве, в установленные договором сроки, является основной целью производственного предприятия.
     Автоматизация позволила перейти на организацию производственных процессов на предприятиях по системе «Бережливое производство», позволяющей без значительных материальных затрат повысить производительность (как показывает опыт) на 15-20 %.

6

    1.         АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ

    1.1. Задачи автоматизации производства

     Автоматизация - сложный процесс, она охватывает множество соотношений: технических, научных, социальных, экономических и т. п., ставит их в некое единство, где противоречивые положения сочетаются в целесообразности, обу-сёловленной диалектикой процесса. Автоматизация дает экономический эффект только при наличии определенных предпосылок.
     С переходом России к рыночной экономике предприятия действуют в качественно других условиях. Произошли огромные изменения в экономической сфере, в характере хозяйственной деятельности предприятий. Рост конкуренции, как на внутреннем, так и на внешнем рынках, требует от производителя быстрой адаптации к меняющимся условиям. Технологические процессы изготовления того или иного изделия должны быть гибкими, позволяющими произвести быструю переналадку производства на выпуск нового изделия или его модернизацию. Значительно возросли требования к качеству изделий. Потребитель, имея выбор, отдает предпочтение продукции, имеющей стабильные характеристики, высокое качество и сбалансированную цену. Любая продукция должна быть сертифицирована, следовательно, ее показатели должны соответствовать установленным требованиям. Это возможно только при условии, что на всех этапах производства изделия (его «жизненного цикла») обеспечивается высокий уровень качества изделия. Снижение затрат на производство изделия, повышение производительности на всех этапах производства требуют внедрения новых высокоэффективных технологий и применения высокопроизводительного оборудования. Кроме того, в последние годы произошло перераспределение рабочей силы. Нехватка высококвалифицированных рабочих приводит к необходимости создания производственных комплексов, которые могли бы функционировать при минимальном участии человека. Решение всех этих проблем возможно только при повышении уровня автоматизации производства. Только высокоавтоматизированное предприятие способно быть конкурентоспособным и рентабельным. Без планомерного решения вопросов автоматизации производства любое предприятие обречено на банкротство.
     Эффективность конкретного производственного процесса, рентабельность предприятия в целом отражают степень уменьшения затрат на производство

7

изделия относительно некоторого среднего уровня, зависящего от уровня развития производительных сил общества.
     Повышение эффективности производства достигается минимизацией приведенных затрат.
     Эффективность производства является результирующим показателем, зависящим от уровня производительности, гибкости, уровня автоматизации производственного процесса. Автоматизация производственных процессов - комплексное мероприятие по разработке высокоинтенсивных технологических процессов и создание на их основе высокопроизводительного оборудования, выполняющего технологические и вспомогательные процессы без непосредственного участия человека.
     В неавтоматизированном производстве все производственные процессы строятся из условий совместной работы человека и машины. Неавтоматизированная рабочая машина, имеет только механизмы рабочих ходов, а все холостые ходы (установка на станок и снятие со станка заготовки, ее зажим и разжим, базирование, замена и настройка инструмента и т. п.) совершает человек. Человек своим непосредственным воздействием выбирает и осуществляет последовательность обработки, т. е. программу обработки в соответствии с разработанной технологией. Естественно, что качество выпускаемого изделия или выполняемого технологического процесса определяется так называемым «человеческим фактором», т. е. качество выпускаемого изделия, стабильность его показателей (стабильность качества) зависят от квалификации рабочего, его профессиональных навыков, целого ряда субъективных факторов. Рабочему требуются значительные затраты времени и усилий для освоения новых приемов при переходе на выпуск нового изделия. Кроме того, некоторые технологические процессы должны выполняться в условиях, когда присутствие человека не допустимо (выпуск лекарств, высокоточной цифровой техники, вредные производства и т. д.).
     Следовательно, необходимо разработать и внедрить в производство такие устройства, механизмы, машины, которые бы позволяли освободить человека не только от непосредственного участия в процессе изготовления того или иного изделия, но и от процесса управления производством. В этом и заключается основная задача автоматизации процессов и производств.

    1.2. Основные понятия и определения

     Следует различать понятия - механизация и автоматизация. У этих двух очень знакомых нам слов совершенно разные значения.


8

     Механизация - направление развития производства, характеризуемое применением в производственном процессе машин и механизмов, заменяющих мускульный труд рабочего.
     Механизация может быть либо частичной, либо полной, или, как ее называют, комплексной.
     Частичная механизация - это механизация части движений, необходимых для осуществления производственного процесса: либо главного движения, либо вспомогательных и установочных движений, либо движений, связанных с перемещением изделий (деталей и полуфабрикатов) с одной рабочей позиции на другую. Например, если вместо обычного трехкулачкового патрона на токарном станке установить пневматический патрон, то он позволит механизировать процесс закрепления заготовки.
     Полная или комплексная механизация - механизация всех основных, вспомогательных, установочных и транспортных движений, которые выполняются по ходу производственного процесса. При полной механизации обслуживающий персонал осуществляет только оперативное управление производственными процессами, включение и выключение в нужные моменты требуемых механизмов и управление режимом и характером их работы.
     Автоматизация - направление развития производства, характеризуемое освобождением 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 и полной или, как ее чаще называют, комплексной.
     Частичная автоматизация - автоматизация части операции по управлению производственным процессом при условии, что остальная часть всех операций выполняется рабочим.
     Полная или комплексная автоматизация характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входит настройка машины или группы машин, включение и контроль.
     Таким образом, степень автоматизации производственного процесса определяется необходимой долей участия оператора в управлении этим процессом. При полной автоматизации присутствие человека в течение определенного периода времени вообще не требуется. Чем больше это время, тем выше степень автоматизации.
     Высшей формой автоматизации является «безлюдная технология». Под безлюдным режимом работы понимают такую степень автоматизации, при которой станок, производственный участок, цех или весь завод могут работать

9

автоматически (т. е. без участия человека) в течение, по крайней мере, одной производственной смены (8 часов) в отсутствие человека.
     Автоматизация - это высшая форма механизации, но вместе с этим это новая форма организации производства, а не простая замена ручного труда механическим, поэтому следует избегать использования традиционных конструктивных схем, не дублировать движения руки рабочего в механизмах, а искать новые решения, используя возможности автоматических устройств.
     Автоматизация дает экономический эффект только при наличии определенных предпосылок.
     Автоматизация - сложный процесс, она охватывает множество соотношений: технических, научных, социальных, экономических и т. п., ставит их в некое единство, где противоречивые положения сочетаются в целесообразности, обусловленной диалектикой процесса.
     Технические преимущества автоматически управляемых производственных систем по сравнению с аналогичными системами с ручным управлением следующие:
     -       более высокое быстродействие, позволяющее повышать скорости протекания процессов, а, следовательно, и производительность производственного оборудования;
     -       более высокое и стабильное качество управления процессами, обеспечивающее высокое качество продукции при более экономном расходовании материалов и энергии;
     -       возможность работы автоматов в тяжелых, вредных для человека условиях;
     -       стабильность ритма работы, возможность длительной работы без перерывов вследствие отсутствия утомляемости, свойственной человеку.
     При рассмотрении проблем, связанных с автоматизацией, необходимо различать понятие «автоматизация» и «автоматика».
     При разработке автоматического оборудования необходимо решать многие проблемы автоматики: управления, контроля, сбора, переработки информации и др.
     Автоматика - наука, связанная с изучением общих закономерностей и условий функционирования и алгоритмов управления для различных технических процессов с целью разработки принципов построения систем автоматического управления.
     На первом этапе автоматизации осуществлялась автоматизация выполнения рабочего цикла, т. е. создавались полуавтоматы и автоматы. На втором этапе решались вопросы комплексной автоматизации - создавались целые комплексы автоматически работающих машин (автоматические линии, цехи и заводы). На

10

третьем этапе решаются вопросы комплексной автоматизации - создаются комплексы автоматически работающих машин, автоматических линий.
     Комплексное развитие автоматизации невозможно без кибернетических систем.
     Кибернетика - научная основа комплексной автоматизации.
Техническая кибернетика - отрасль науки, изучающая технические системы управления. Одно из важнейших ее направлений - разработка и создание различных автоматических устройств: технологических (например, станков-автоматов, автоматических регуляторов и др.), измерительных (автоматических датчиков, регистраторов, измерительных комплексов), информационных (вычислительных и управляющих машин).
     Особенное значение приобретает внедрение кибернетических систем при внедрении гибких производственных систем (ГПС).

    1.3. Классификация автоматического оборудования производственных подразделений

     Полуавтомат - такая единица оборудования, на котором без непосредственного участия человека, т. е. автоматически, осуществляется выполнение всех операций по непосредственному воздействию на предметы труда (обрабатываемые заготовки). Повторение операций обработки (сборки) требует вмешательства человека для установки заготовки (детали), снятия её и пуска оборудования. Основным недостатком полуавтоматического оборудования является нарушение человеком непрерывности технологического процесса, которое производится как бы внутри самой машины и поэтому ведет к ряду весьма отрицательных последствий.
     Автомат - такая единица оборудования, на которой без непосредственного участия человека, т. е. автоматически, выполняются все работы, для которых она предназначена. В автоматах человек заполняет загрузочные устройства заготовками (деталями), налаживает автомат, контролирует обработку и осуществляет подналадку, а также смену инструмента и удаление отходов. На некоторых автоматах контроль обработки, подналадка автомата по результатам контроля, а также смена инструментов и удаление отходов осуществляются автоматически.
     Из приведенного определения автомата следует, что в этом типе оборудования человек удален из сферы производства, его непосредственная связь с оборудованием нарушена, производственный процесс идет непрерывно, останавливаясь только для периодической загрузки, контроля, подналадки оборудования, а иногда только одной наладки.

11

     Поточная линия - такой производственный участок, на котором постоянно или периодически изготовляется один или несколько видов изделий, при этом рабочие места (станки, рабочие машины, стенды и т. д.), специализированные на выполнение одной или нескольких однотипных операций, расположены по ходу технологического процесса (в линию). Любая поточная линия во всех случаях характеризуется прямоточностью. В механизированных поточных линиях большая часть операций производственного процесса выполняется механизмами, машинами и другими видами оборудования и, кроме того, механизированы процессы перемещения предмета труда (заготовок, деталей, исходного материала) от одного рабочего места к другому. При этом в отдельных случаях допускается перемещение предмета труда вручную. В комплексно-механизированных поточных линиях все операции производственного процесса выполняются механизмами, машинами и другими видами оборудования с равной или кратной производительностью, и, кроме того, механизированы процессы перемещения предмета труда от одного рабочего места к другому.
     Автоматическая линия - ряд согласованно работающих станков-автоматов, объединенных общими транспортными устройствами с единым темпом и общей системой управления, осуществляющих без участия человека в определенной технологической последовательности комплекс операций части производственного процесса. В автоматических линиях человек выполняет только наладку, наблюдение и регулирование, а в некоторых случаях - контроль обработки и подналадку, смену инструмента при износе (поломке), а также начальные загрузочные или конечные разгрузочные операции.
     Комплексно-механизированный завод (цех, участок) - завод (цех, участок), в котором все технологические процессы основного и вспомогательного производства: транспортные, погрузочно-разгрузочные, складские (внутризаводские, внутрицеховые) работы; удаление отходов производства; уборку помещений и территорий; подготовку и управление производством (подготовка технической документации, планирование, диспетчирование, учет и др.) выполняют работники завода, использующие машины, механизмы, приборы, аппараты и другие средства механизации. При этом в отдельных подразделениях допускается ручной труд.
     Автоматизированный завод (цех, участок) - завод (цех, участок), в котором технологические процессы основного производства осуществляются с помощью автоматов, автоматических линий и других средств автоматизации, а вспомогательные работы и процессы (работы по инструментальному производству, службам главного механика и энергетика, транспортные, погрузочно-разгрузочные, складские, уборку помещений и территорий; подготовку и управление производством) выполняют работники различных служб с помощью машин,

12

механизмов, приборов, аппаратов и других средств механизации с элементами автоматизации отдельных работ. При этом труд на отдельных операциях, процессах и в отдельных подразделениях может быть механизированным и ручным.
     Комплексно-автоматизированный завод (цех, участок) - завод (цех, участок), в котором выполнение всех технологических процессов основного и вспомогательного производства осуществляется при помощи автоматического оборудования и устройств, а человек выполняет только функции централизованного наблюдения, регулирования и управления ходом заданного технологического процесса.
     Производственный процесс в таких подразделениях организовывается таким образом, чтобы люди с помощью системы внешнего наблюдения контролировали процесс, не находясь непосредственно на объекте.
     При комплексно-автоматизированном производстве допускается на отдельных процессах и в подразделениях механизированный и ручной труд. Это возможно там, где механизация и автоматизация на данном этапе по техникоэкономическим соображениям нецелесообразны.
     Безлюдное производство - высшая степень автоматизации.
     Концепция безлюдной производства предполагает, что в течение определенного интервала времени человек должен быть максимально освобожден от подготовки, планирования и управления производством, от загрузочно-разгрузочных операций, от транспортирования заготовок, от функций наблюдения, обслуживания, управления и контроля за работой оборудования между переналадками на обработку новой партии деталей.
     С переходом к безлюдной технологии возможна частичная автоматизация переналадки станков.

    1.4.   Классификация технологических процессов и рабочих машин машиностроительных производств

     Технологический процесс заключается в осуществлении определенного взаимодействия между предметом труда (заготовками, деталями) и орудием труда (инструментом) или рабочей средой (химическая среда, нагретый воздух или газ и т. п.).
     С точки зрения пригодности технологического процесса к автоматизации и сложности осуществления последней все применяемые в машиностроительном и приборостроительном производствах процессы можно разбить на два основных и два переходных класса.
     К первому основному классу относятся процессы, которые требуют ориентации заготовки (детали) и характеризуются наличием обрабатывающего

13