Автоматизация производственных процессов в машиностроении. Робототехника, робототехнические комплексы. Практикум

 
 
 
 
 
С. И. Рязанов, Ю. В. Псигин 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ  
В МАШИНОСТРОЕНИИ 
РОБОТОТЕХНИКА, РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ 
 
ПРАКТИКУМ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 

 
УДК 621:681.5 
ББК 34.4+32.816 
Р99 
 
Рецензенты: 
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой технологий автоматизированного  
машиностроения механико-технологического факультета  
ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» В. И. Гузеев;  
к. т. н., доцент, доцент кафедры математического моделирования технических 
систем Ульяновского государственного университета А. Р. Гисметулин;  
заместитель начальника производственно-диспетчерского отдела предприятия 
АО «УКБП» А. В. Сизов 
 
 
 
Рязанов, С. И. 
Р99  
Автоматизация производственных процессов в машиностроении. Робототехника, робототехнические комплексы. Практикум : учебное пособие / 
С. И. Рязанов, Ю. В. Псигин. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 
156 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1351-0 
 
Рассматривается теория надежности в практике построения автоматизированных систем проектирования структурных компоновок автоматизированных технологических комплексов, а также процесс создания, внедрения, модернизации, эксплуатации современных робототехнических комплексов. Даны сведения о выборе средств автоматизации, представленных 
на мировом индустриальном рынке. 
Для студентов, обучающихся по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 
профиль «Технология машиностроения». 
 
УДК 621:681.5 
ББК 34.4+32.816 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1351-0 
” Рязанов С. И., Псигин Ю. В., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ 8 
 
 
1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1.  
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ  
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ (деловая игра) ............................................ 9 
Введение ............................................................................................................ 9   
1. Цели занятия 
................................................................................................ 10 
2. Общие положения ....................................................................................... 10 
2.1. Средства пневмоавтоматики в составе исполнительной системы  
промышленных роботов ................................................................................. 10 
2.2. Средства пневмоавтоматики в составе энергообеспечивающей  
системы промышленных роботов 
.................................................................. 13 
2.3. Средства пневмоавтоматики в составе регулирующей системы  
промышленных роботов ................................................................................. 13 
2.4. Средства пневмоавтоматики в составе информационной системы  
промышленных роботов ................................................................................. 14 
3. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 15 
3.1. Общие рекомендации для подготовки к занятию ................................. 15  
3.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 15 
3.3. Изучение и обсуждение исходных материалов  
для выполнения задания ................................................................................. 16 
3.4. Индивидуальное задание 
......................................................................... 17 
4. Оформление отчета, подведение итогов деловой игры ........................... 18 
5. Контрольные вопросы ................................................................................ 20 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 21 
 
2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2.  
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ 
.......................... 24 
Введение .......................................................................................................... 24 
1. Цели занятия 
................................................................................................ 24 
2. Общие положения ....................................................................................... 24 
2.1.  Критерии выбора пневматических механизмов ................................... 24 
2.2. Расчет пневматических цилиндров ........................................................ 24 
2.3. Примеры использования пневматических приводов в элементах  
и системах автоматизации производства ...................................................... 29 
3 
 

3. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 34 
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................... 34 
3.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 34 
3.3. Индивидуальное задание и примеры решения задач 
............................ 35 
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия ........... 48 
5. Контрольные вопросы ................................................................................ 49 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 49 
 
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3.  
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ........ 50 
Введение .......................................................................................................... 50 
1. Цель занятия ................................................................................................ 50  
2. Общие положения ....................................................................................... 50 
2.1. Оценка надежности сложных автоматизированных систем ................ 50  
2.2. Оценка функциональной надежности системы 
..................................... 51 
2.3. Оценка эффективной надежности системы ........................................... 52 
2.4. Пример расчета функциональной и эффективной  
надежности системы ....................................................................................... 54 
3. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 56 
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................... 56 
3.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 56 
3.3. Индивидуальное задание 
......................................................................... 56 
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия ........... 60 
5. Контрольные вопросы ................................................................................ 60 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 60 
 
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4.  
АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ КОМПОНОВОК АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ..................................................... 61 
Введение .......................................................................................................... 61 
1. Цели занятия 
................................................................................................ 61 
2. Общие положения ....................................................................................... 61 
2.1. Выбор альтернативы ................................................................................ 61 
2.2. Понятия оценки альтернативных компоновок АТК ............................. 61 
2.3. Оценка вариантов компоновок АТК ...................................................... 62 
2.4. Выбор варианта компоновки АТК 
.......................................................... 62 
 
 
4 
 

2.5. Методика расчета неполных приведенных затрат для оценки  
экономической эффективности реализации вариантов  
компоновок АЛ 
................................................................................................ 62 
3. Пример оценки альтернативных вариантов структурных компоновок 
автоматизированных линий ........................................................................... 64 
3.1. Формулировка задачи .............................................................................. 64 
3.2. Решение задачи 
......................................................................................... 65 
4. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 67 
4.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................... 67 
4.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 67 
4.3. Индивидуальное задание 
......................................................................... 67 
5. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия ........... 69 
6. Контрольные вопросы ................................................................................ 70 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 71 
 
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5.  
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ТОПОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ 
СИСТЕМ .......................................................................................................... 72 
Введение .......................................................................................................... 72 
1. Цели занятия 
................................................................................................ 72 
2. Общие положения ....................................................................................... 72 
2.1. Топология АТК 
......................................................................................... 72 
2.2. Многообразие технологических топологий АТК 
.................................. 72 
2.3. Поиск оптимальной технологической структуры АТК ........................ 73 
2.4. Методика формирования вариантов топологии .................................... 74 
3. Пример проектирования структуры АТК ................................................. 75 
3.1. Базовые формулы расчета производительности АЛ ............................. 75 
3.2. Результаты применения методики 
.......................................................... 76 
4. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 79 
4.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................... 79 
4.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 79 
4.3. Индивидуальное задание 
......................................................................... 79 
5. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия ........... 80 
6. Контрольные вопросы ................................................................................ 80 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 81 
 
 
5 
 

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6.  
ВЫБОР ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА (деловая игра) ............................ 82 
Введение .......................................................................................................... 82 
1. Цели занятия 
................................................................................................ 82 
2. Общие положения ....................................................................................... 82 
2.1. Проект «Выбор ПР» ................................................................................. 82 
2.2. Алгоритмы выбора ПР 
............................................................................. 83 
2.1.1. Простейший (типовой) алгоритм выбора ПР ..................................... 83 
2.1.2. Нетривиальные алгоритмы выбора ПР ............................................... 86 
2.1.3. Алгоритмы выбора ПР на основе анализа размерных цепей ............ 88 
2.3. Выбор ПР как анализ предложений на рынке современной  
индустриальной робототехники .................................................................... 90   
3. Порядок выполнения практического занятия 
........................................... 91 
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................... 91 
3.2. Информационная подготовка к занятию 
................................................ 91 
3.3. Индивидуальное задание 
......................................................................... 91 
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия ........... 92 
5. Контрольные вопросы ................................................................................ 94 
Информационные ресурсы 
............................................................................. 94 
 
7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №7.  
АВТОМАТИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ  
(деловая игра) .................................................................................................. 97 
Введение .......................................................................................................... 97  
1. Цель занятия ................................................................................................ 97  
2. Общие положения ....................................................................................... 97 
2.1. Автоматизация современного машиностроения ................................... 97 
2.2. SWOT-анализ проекта «Изучение автоматизации машиностроения  
с помощью интернет-ресурсов» 
..................................................................... 98  
2.3. Применение результатов SWOT-анализа 
............................................... 99  
2.3.1. Знание теории, принципов и методов автоматизации ..................... 100 
2.3.2. Системный анализ промышленной автоматизации ......................... 101 
2.3.3. Формат деловой игры ......................................................................... 105 
2.3.4. Знание национальных приоритетов 
................................................... 108 
2.3.5. Изучение социально-экономических аспектов и современных  
тенденций автоматизации ............................................................................ 110 
2.3.6. Методика совершенствования изложенных выше мероприятий 
.... 114 
6 
 

3. Порядок выполнения практического занятия 
......................................... 114 
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию ................................. 114 
3.2. Информационная подготовка к занятию 
.............................................. 114 
3.3. Проведение деловой игры ..................................................................... 114 
4. Оформление отчетов. Подведение итогов игры 
..................................... 115 
5. Контрольные вопросы .............................................................................. 117 
Информационные ресурсы 
........................................................................... 118 
 
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 
..................................................................... 122 
 
ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПОНЯТИЯ....................................... 123 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................. 126 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
............................................................................................. 127 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Практические занятия по курсу «Автоматизация производственных 
процессов в машиностроении» (АППМ) способствуют выявлению ресурсов, пригодных для самосовершенствования в профессии. Ресурсы такого 
рода могут быть использованы в деле сохранения и/или развития такого 
привлекательного качества, каковым является адекватная персональная / 
корпоративная конкурентоспособность в условиях тотальной автоматизации жизни. В пособии принято, что главные цели практических занятий – 
это такие цели, достижение которых способствует увеличению следующих конкурентных преимуществ: 
– способность видеть горизонты делового применения систем классификации элементов, устройств и систем автоматизации;  
– уверенное следование традициям и культурам расчета элементов и 
систем автоматизации;  
– знание источников выгоды, которая возникает благодаря применению теории надежности в практике построения автоматизированных систем;  
– гибкость в сочетании персональных компетенций, что позволяет 
принимать участие в мероприятиях стратегического характера, например, 
в проектировании структурных компоновок автоматизированных технологических комплексов (АТК);  
– самостоятельность и своевременность развития компетенций до 
уровня, который открывает доступ к участию в проектах создания, внедрения, модернизации, эксплуатации современных робототехнических 
комплексов; 
– умение применять алгоритмы профессионального поведения для 
уверенного участия в процедурах подготовки решений о выборе средств 
автоматизации, представленных на мировом индустриальном рынке элементов и систем промышленной автоматизации. 
 
 
8 
 

1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1 
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ  
(деловая игра) 
 
Введение 
Пневмоавтоматика – это комплекс технических средств, предназначенных для построения такой разновидности автоматического управления, когда источником информации является давление или расход воздуха или других газов. Информацию такого вида называют пневмосигналами [1].  
Пневматические системы автоматического управления (САУ) применяют для оснащения станков – автоматов, автоматических линий, промышленных роботов, транспортеров, толкателей, укладчиков и многих 
других средств автоматизации основных, вспомогательных и обслуживающих операций.  
Например, циклические пневматические системы (рис. 1.1) обеспечивают последовательную смену фиксированных положений выходных звеньев 1, ведомых пневматическими исполнительными механизмами типа 2. 
 
 
Рис. 1.1. Фрагмент автоматизированного станочного приспособления  
с пневматическим приводом ([2], с. 462, рис. 8): 
1 – звенья приспособления; 2 – пневматический цилиндр;  
3 – объект (установленный и зафиксированный в приспособлении) 
Возможный вариант обобщенной классификации средств пневмоавтоматики представляет собой модель ранжирования средств пневмоавтоматики в соответствии с видами функциональных систем / подсистем,  
в которых эти средства используют. Такая модель является инструментом 
для системной инвентаризации всего многообразия средств пневмоавто9 
 

матики в соответствии с их служебной / функциональной принадлежностью к той или иной части автоматической системы из следующего списка: исполнительная, энергообеспечивающая, регулирующая, информационная, логико-вычислительная подсистемы. 
Современные примеры неординарных возможностей пневмоавтоматики в робототехнике демонстрирует, например, компания Festo Gesellschaft m.b.H [3], [4], [5]. Альтернативные дидактические материалы для 
изучения элементов пневмоавтоматики размещены во многих интернетресурсах, например, [6], [7], [8], [9]. 
1. Цели занятия 
Главная цель занятия – приобретение навыков использовать принципы классификации средств пневмоавтоматики для разработки спецификации узлов и элементов пневмоавтоматики, когда решают задачу оснащения функциональных подсистем автоматизированных устройств, в частности, промышленных роботов.  
Вспомогательные цели формируют на основе сведений о результатах 
самостоятельной внеаудиторной подготовки студентов к занятию.  
2. Общие положения 
2.1. Средства пневмоавтоматики в составе  
исполнительной системы промышленных роботов 
В состав пневматических исполнительных механизмов входят пневмодвигатели следующих видов: 
– линейные пневмодвигатели (пневматические цилиндры); 
– поворотные пневмодвигатели; 
– пневмодвигатели вращательного действия (пневматические моторы). 
Например, в цикловых промышленных роботах пневмодвигатели используют в конструкциях захватных устройств (иное название – захваты, 
рис. 1.2), в узлах манипулятора, ведомых пневмодвигателями (рис. 1.3, позиция 11 – «цилиндр уравновешивания руки»). Нередко пневмодвигатели 
используют непосредственно как исполнительное звено манипулятора 
(рис. 1.4, позиция 17 – «цилиндр горизонтального перемещения руки манипулятора»). 
10