Современные направления управления и автоматизации в машиностроении
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Общее машиностроение. Машиноведение
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Игнатьев Александр Анатольевич, Захарченко Михаил Юрьевич, Добряков Владимир Анатольевич, Игнатьев Станислав Александрович
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 380
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-1751-8
Артикул: 842659.01.99
Рассматриваются основные направления развития автоматизации и управления в машиностроении. Приводятся сведения об управлении параметрами режима резания на основе анализа вибраций динамической системы станка и микропроцессорных системах автоматизации и управления технологическим оборудованием. Излагаются основные положения системного подхода к анализу методов и средств обеспечения технологической надежности станков на различных этапах их жизненного цикла. Приводятся сведения о контроле и диагностировании сложных технологических объектов, о развитии автоматики, систем и теории автоматического управления и их применении в различных объектах, мехатронных и робототехнических систем и их применении в машиностроении и других отраслях. Показана разработка интеллектуальных средств измерения и управления, а также использование аддитивных технологий (3 D-принтеров) для изготовления деталей различного назначения.
Для студентов машиностроительных направлений.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 004: Информационные технологии. Вычислительная техника...
- 330: Экономические науки в целом. Политическая экономия
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- 15.03.06: Мехатроника и роботехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǸǵǩǷǬdzǬǴǴȂǬǴǧǶǷǧǩDzǬǴǯȆ ǺǶǷǧǩDzǬǴǯȆǯǧǩǹǵdzǧǹǯǮǧǽǯǯ ǩdzǧǿǯǴǵǸǹǷǵǬǴǯǯ ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 2024
УДК 004.9:330 ББК 32.965 С56 А в т о р ы : Игнатьев А. А., Захарченко М. Ю., Добряков В. А., Игнатьев С. А. Р е ц е н з е н т ы : кафедра «Автоматизация производственных процессов» Волгоградского государственного технического университета; доктор технических наук, профессор Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. Ю. Б. Томашевский С56 Современные направления управления и автоматизации в машиностроении : учебное пособие / [Игнатьев А. А. и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 380 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1751-8 Рассматриваются основные направления развития автоматизации и управления в машиностроении. Приводятся сведения об управлении параметрами режима резания на основе анализа вибраций динамической системы станка и микропроцессорных системах автоматизации и управления технологическим оборудованием. Излагаются основные положения системного подхода к анализу методов и средств обеспечения технологической надежности станков на различных этапах их жизненного цикла. Приводятся сведения о контроле и диагностировании сложных технологических объектов, о развитии автоматики, систем и теории автоматического управления и их применении в различных объектах, мехатронных и робототехнических систем и их применении в машиностроении и других отраслях. Показана разработка интеллектуальных средств измерения и управления, а также использование аддитивных технологий (3D-принтеров) для изготовления деталей различного назначения. Для студентов машиностроительных направлений. УДК 004.9:330 ББК 32.965 ISBN 978-5-9729-1751-8 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
ǵǪDzǧǩDzǬǴǯǬ ǾȇȘșȣI Введение ......................................................................................................................................... 9 1. Общие сведения о развитии систем автоматизации и управления ..................................... 10 1.1. История развития систем автоматизации и управления ................................................ 10 1.1.1. Развитие технических систем автоматизации и управления .................................... 11 1.1.2. Развитие классической теории автоматического управления .................................. 18 1.1.3. Этапы развития теории линейных САУ ..................................................................... 20 1.1.4. Развитие других видов САУ ........................................................................................ 22 1.2. Основные понятия и определения теории автоматического управления ..................... 25 1.3. Классификация систем управления .................................................................................. 28 2. Основные направления автоматизации и управления производственными и технологическими процессами ............................................................ 32 2.1. Автоматизация проектирования изделий. Современные САПР ................................... 34 2.1.1. Методы и основные принципы автоматизированного проектирования ................. 34 2.1.2. Анализ современных САПР ......................................................................................... 40 2.2. Автоматизация технологической подготовки производства ......................................... 45 2.2.1. Промышленные изделия машиностроения и этапы их создания ............................. 48 2.2.2. Функции и проблемы технологической подготовки производства ......................... 49 2.2.3. Принципы построения АСТПП ................................................................................... 51 2.2.4. Базовые системы автоматизации проектирования и управления в ТПП ................ 53 2.3. Совершенствование АСУ ТП. SCADA-системы ............................................................ 59 2.3.1. АСУ ТП и диспетчерское управление ........................................................................ 61 2.3.2. Функциональные возможности SCADA-систем ....................................................... 65 2.3.3. Известные системы SCADA и их основные характеристики ................................... 66 2.3.4. Интеграция АСУ ТП и АСУП ..................................................................................... 71 3. Мехатронные и робототехнические системы ....................................................................... 80 3.1. Мехатронные системы и их применение ......................................................................... 80 3.1.1. Назначение и классификация мехатронных систем .................................................. 81 3.1.2. Признаки, свойства и структура мехатронной системы ........................................... 84 3.1.3. Применение и перспективы развития мехатронных систем .................................... 88 3.2. Промышленные роботы и их применение ....................................................................... 89 3.2.1. Структура и классификация робототехнических систем в машиностроении ........ 90 3.2.2. Датчики, применяемые для сбора информации в промышленных роботах ........... 99 3.2.3. Применение робототехнических систем .................................................................. 102 Заключение ................................................................................................................................. 106 Список литературы .................................................................................................................... 107 3
ǾȇȘșȣII Введение ..................................................................................................................................... 111 1. Контроль и диагностирование сложных технологических объектов ............................... 112 1.1. Автоматизация контроля качества деталей ................................................................... 112 1.1.1. Контроль геометрических параметров точности ..................................................... 113 1.1.2. Методы неразрушающего контроля поверхностного слоя и внутренней структуры деталей ................................................................................................................ 117 1.2. Диагностирование сложного технологического оборудования .................................. 122 1.2.1. Классификация методов и средств диагностирования............................................ 123 1.2.2. Организация диагностирования состояния металлорежущих станков ................. 129 1.2.3. Обобщённая структура системы контроля и диагностирования ........................... 137 2. Мониторинг технологического процесса ............................................................................ 140 2.1. Алгоритм реализации мониторинга технологического процесса ............................... 141 2.2. Организация системы мониторинга технологического процесса ............................... 146 2.3. Структура многопараметрового контроля, интегрированного в систему мониторинга шлифовальной обработки ............................................................................... 150 3. Управление жизненным циклом изделий (CALS (ИПИ)-технологии) ............................ 158 3.1. Предпосылки и причины появления CALS-технологий .............................................. 158 3.1.1. Научные проблемы CALS-технологий ..................................................................... 158 3.1.2. Этапы жизненного цикла промышленных изделий. Промышленные автоматизированные системы. ................................................................ 162 3.1.3. Структурное моделирование производственных систем. Структурное моделирование в СALS-технологиях ........................................................... 165 3.2. Использование CALS-технологий в информационном пространстве предприятий ..................................................................................................... 173 3.2.1. Функции программного обеспечения CALS-технологий в информационной среде предприятий. ............................................................................................................... 173 3.2.2. Основные принципы внедрения CALS ..................................................................... 177 3.2.3. Развитие CALS-технологий в России ....................................................................... 180 Заключение ................................................................................................................................. 186 Список литературы .................................................................................................................... 187 ǾȇȘșȣIII Введение ..................................................................................................................................... 191 1. Интеллектуальные системы и технологии .......................................................................... 192 1.1. Структура и классификация интеллектуальных систем .............................................. 192 1.2. Экспертные системы ........................................................................................................ 195 1.2.1. Структура и классификация экспертных систем ..................................................... 195 1.2.2. Основные задачи, решаемые экспертными системами в машиностроении ......... 199 1.2.3. Другие области применения экспертных систем..................................................... 208 1.3. Применение теории распознавания образов при контроле состояния технологического процесса .................................................................................................... 211 4
1.3.1. Методическое обоснование применения теории распознавания образов для контроля состояния объектов ....................................................................................... 211 1.3.2. Применение метода распознавания образов при вихретоковом контроле колец подшипников .............................................................................................................. 216 2. Интеллектуальные системы измерения и управления ....................................................... 226 2.1. Интеллектуальные средства измерений ......................................................................... 227 2.2. Интеллектуализация информационно-измерительных процессов.............................. 230 2.3. Принципы организации функционирования, построения и структура интеллектуальных измерительных средств .......................................................................... 233 2.4. Интеллектуальные датчики ............................................................................................. 235 2.5. Принципы построения интеллектуальных систем управления ................................... 244 3. Аддитивное производство (3D-принтеры) .......................................................................... 248 3.1. Отличительные особенности 3D-принтера.................................................................... 248 3.2. 3D-принтеры в различных сферах производства .......................................................... 253 3.3. Технологии и материалы ................................................................................................. 255 Заключение ................................................................................................................................. 266 Список литературы .................................................................................................................... 267 ǾȇȘșȣIV Введение ..................................................................................................................................... 271 1. Управление режимами резания с использованием стохастических характеристик виброакустических колебаний динамической системы ........................................................ 272 1.1. Исследовательские работы по управлению режимами резания на основе измерения и анализа виброакустических колебаний динамической системы станка ...... 272 1.2. Методика выбора режима шлифования колец подшипников на основе идентификации динамической системы станка и оценки её запаса устойчивости .......... 275 1.2.1. Обучающий эксперимент для оценки связи виброакустических колебаний динамической системы и качества шлифовальной обработки колец .............................. 275 1.2.2. Динамические характеристики шлифовальных станков при резании................... 279 1.2.3. Экспериментально-аналитическое определение передаточной функции динамической системы шлифовального станка при резании ........................................... 283 1.2.4. Практическая реализация методики выбора режима обработки колец на основе оценки запаса устойчивости динамической системы ...................................... 288 1.3. Методика выбора режима точения колец подшипников на основе идентификации динамической системы станка и оценки её устойчивости ...................... 291 1.3.1. Методическое обеспечение измерений на станках ................................................. 291 1.3.2. Экспериментальные исследования при обработке колец на полуавтомате ТП-400 ....................................................................................................... 293 2. Микропроцессорные системы управления и автоматизации ............................................ 300 2.1. Основные понятия. Назначение и области применения микропроцессорных устройств .............................................................................................. 300 2.2. История развития микропроцессоров ............................................................................ 311 2.3. Микроконтроллеры .......................................................................................................... 328 5
2.4. Классификация современных микроконтроллеров ...................................................... 335 2.5. Стандартные промышленные интерфейсы .................................................................... 341 3. Системный подход к анализу методов и средств обеспечения технологической надежности станков ................................................................................................................... 344 3.1. Концепция системного подхода ..................................................................................... 344 3.2. Основные направления обеспечения технологической надежности прецизионных станков ............................................................................................................ 349 3.2.1. Новые технические решения формообразующих узлов ......................................... 349 3.2.2. Совершенствование методов и средств контроля, мониторинга, диагностирования, испытаний и технического обслуживания станков .......................... 358 3.2.3. Управление точностью обработки ............................................................................ 371 Заключение ................................................................................................................................. 375 Список литературы .................................................................................................................... 376 6
ǾǧǸǹȃI 7
ǩǩǬǫǬǴǯǬ Совершенствование машиностроительного производства для повышения качества продукции, производительности оборудования и снижения затрат является важнейшей задачей технического прогресса общества. В машиностроении существует достаточно жесткая конкуренция за рынки сбыта продукции, поэтому развитие отрасли происходит в направлении совершенствования организации производства на основе современных информационных технологий, внедрения АСУ, АСТПП, АСУ ТП, а также совершенствования технологических процессов и оборудования за счет внедрения как новых технических решений, так и новых средств автоматизации и управления, контроля и мониторинга, в том числе с применением мехатронных и робототехнических систем и интеллектуальных технологий. Решение указанных проблем базируется на достижениях в различных областях знаний, таких как физика, математика, химия, электроника, вычислительная техника, информатика и ряд других. В соответствии с изложенным научно-техническую политику в машиностроении должны разрабатывать и реализовывать квалифицированные специалисты, владеющие арсеналом как теоретических знаний, так и практическим опытом в рассматриваемой и смежных областях. Указанное определяет цель данного пособия – ознакомление студентов с основными направлениями развития автоматизации и управления в современном машиностроении. В первой части пособия рассматриваются вопросы развития автоматики, систем и теории автоматического управления и их применении в различных объектах, систем автоматизации и управления производственными и технологическими процессами, мехатронных и робототехнических систем и их применении в машиностроении и других отраслях. 9
1. ǵǨȀǯǬǸǩǬǫǬǴǯȆ ǵǷǧǮǩǯǹǯǯ ǸǯǸǹǬdzǧǩǹǵdzǧǹǯǮǧǽǯǯǯǺǶǷǧǩDzǬǴǯȆ Решение многих технических и технологических задач возможно лишь при широком внедрении систем автоматизации и управления как отдельными объектами, так и их комплексами и предприятиями в целом. Быстрое развитие вычислительной техники и компьютерных технологий резко расширило возможности создания новых высокоэффективных производственных процессов, машин и оборудования и методов управления ими. Проектирование, изготовление и эксплуатация современных летательных аппаратов, военной техники, технологического оборудования с программным управлением, энергетических и химических объектов, промышленных роботов, транспортных систем, наукоемкого медицинского оборудования и других сложных технических комплексов требует от инженера достаточно широких знаний в области автоматизации и управления. Знание истории науки об управлении важно как для более глубокого понимания основных принципов автоматизации и управления, так и для обоснованной экстраполяции их дальнейшего развития и понимания взаимосвязей с другими науками. ǯȘșȕȗȏȦȗȇȎȉȏșȏȦȘȏȘșȌȓȇȉșȕȓȇșȏȎȇȝȏȏ ȏȚȖȗȇȉȒȌȔȏȦ История науки об управлении имеет свою предысторию, которая вначале привела к возникновению автоматики и телемеханики. Следующими этапами ее развития стали линейная теория автоматического управления (ТАУ), нелинейная ТАУ, теория адаптивного и оптимального управления. Одновременно, отвечая на запросы практики, возникли теория автоматизированных человеко-машинных систем управления, в том числе больших систем (технологических, энергетических, транспортных, связи), теория систем комплексной гибкой автоматизации, робототехника. Последняя, в свою очередь, способствовала развитию искусственного интеллекта и интеллектуальных систем автоматического управления (САУ). В развитии всех наук первостепенное значение имеет взаимодействие теории и практики. Известны науки, которые предвосхищали практические реализации их результатов и потребности практики. Однако в области управления с самого начала и вплоть до настоящего времени развитие техники предшествует теории, ставя перед наукой конкретные задачи и определяя само направление ее развития. 10