Тема 16 Автоматизация и механизация производств.

Пути автоматизации и механизации в промышленности. Организационно- экономические аспекты автоматизации производства. Современные средства автоматизации. Автоматизированные линии. Роторные и роторно –конвейерные линии. Динамика процесса автоматизации в промышленности при переходе к рынку.

Автоматизация производства — это процесс в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Введение автоматизации на производстве позволяет значительно повысить производительность труда и качество выпускаемой продукции, сократить долю рабочих, занятых в различных сферах производства.

До внедрения средств автоматизации замещение физического труда происходило посредством механизации основных и вспомогательных операций производственного процесса. Интеллектуальный труд долгое время оставался не механизированным (ручным). В настоящее время операции физического и интеллектуального труда, поддающиеся формализации, становятся объектом механизации и автоматизации.

Процесс автоматизации начался намного раньше, чем нам могло бы казаться — автоматизация на самом деле появилась практически сразу же с возникновением производства, а само по себе производство существует уже давно.

Самодействующие устройства — прообразы современных автоматов — появились в глубокой древности. Однако в условиях мелкого кустарного и полукустарного производства вплоть до XVIII в. практического применения они не получили и, оставаясь занимательными «игрушками», свидетельствовали лишь о высоком искусстве древних мастеров. Совершенствование орудий и приёмов труда, приспособление машин и механизмов для замены человека в производственных процессах вызвали в конце XVIII в. — начале XIX в. резкий скачок уровня и масштабов производства, известный как промышленная революция XVIII—XIX вв.

Промышленная революция создала необходимые условия для механизации производства, в первую очередь, прядильного, ткацкого, металло- и деревообрабатывающего. К. Маркс увидел в этом процессе принципиально новое направление технического прогресса и подсказал переход от применения отдельных машин к «автоматической системе машин», в которой за человеком остаются сознательные функции управления: человек становится рядом с процессом производства в качестве его контролёра и регулировщика. Важнейшими изобретениями этого периода стали изобретения русским механиком И. И. Ползуновым автоматического регулятора питания парового котла (1765) и английским изобретателем Дж. Уаттом центробежного регулятора скорости паровой машины (1784), ставшей после этого основным источником механической энергии для привода станков, машин и механизмов.

С появлением механических источников электрической энергии — электромашинных генераторов постоянного и переменного тока (динамомашин, альтернаторов) — и электродвигателей оказалась возможной централизованная выработка энергии, передача её на значительные расстояния и дифференцированное использование на местах потребления. Тогда же возникла необходимость в автоматической стабилизации напряжения генераторов, без которой их промышленное применение было ограниченным.

Лишь после изобретения регуляторов напряжения с начала XX века электроэнергия стала использоваться для привода производственного оборудования. Наряду с паровыми машинами, энергия которых распределялась трансмиссионными валами и ремёнными передачами по станкам, постепенно распространялся и электропривод, вначале вытеснивший паровые машины для вращения трансмиссий, а затем получивший и индивидуальное применение, то есть станки начали оснащать индивидуальными электродвигателями.

Переход от центрального трансмиссионного привода к индивидуальному в 20-х годах XX века чрезвычайно расширил возможности совершенствования технологии механической обработки и повышения экономического эффекта. Простота и надёжность индивидуального электропривода позволили механизировать не только энергетику станков, но и управление ими. На этой основе возникли и получили развитие разнообразные станки-автоматы, многопозиционные агрегатные станки и автоматические линии. Широкое применение автоматизированного электропривода в 30-е годы XX века не только способствовало механизации многих отраслей промышленности, но по существу положило начало современной автоматизации производства. Тогда же возник и сам термин «Автоматизация производства».

Оборудование для автоматизации производств

Автоматические станки. Они обеспечивают все процессы обработки изделий без участия человека. Работают по жесткой программе и хорошо подходят для массового производства. Установка и съем детали осуществляется вручную. Изменение программы работы станка затруднено.

Станки с числовым программным управлением (ЧПУ) имеют простую переналадку на другие режимы. Они имеют ограниченный набор инструментов, легко перепрограммируются, имеют высокую производительность, обеспечивают высокое качество технологических операций. Однако из-за ограниченного набора инструментов эти станки могут выполнять только определенную группу технологических операций, например, связанных с фрезерованием.

Обрабатывающие центры (ОЦ). Это наиболее прогрессивный вид технологического оборудования для механической обработки. Обрабатывающие центры в отличие от станков с ЧПУ оснащены большими магазинами для размещения инструмента. Замена инструмента осуществляется автоматически, что позволяет выполнять большой объем работ на одном станке, следовательно будет обеспечена экономия времени на установку и снятие детали, многократное программирование и т.д. Производительность ОЦ в 3-4 раза выше, чем у станков с ЧПУ.

Обрабатывающий центр

Промышленные роботы. Можно выделить три поколения роботов:

1. программируемые роботы, действующие по заданной программе;

2. адаптивные роботы, действующие по программе, но имеющие ряд датчиков, которые корректируют программу в определенном диапазоне, например, сварочно-адаптивные роботы;

3) интеллектуальные, или интегральные роботы, обладающие элементами искусственного интеллекта и возможностью свободного диалога с человеком.

По роду своей деятельности промышленные роботы подразделяются на 3 группы:

1. технологические роботы, непосредственно выполняющие технологические операции (сборку, сварку и т.д.);

2. подъемно-транспортные роботы, обеспечивающие складирование и межоперационное перемещение;

3. комбинированные работы, выполняющие действия роботов первых двух групп.

В качестве средств автоматизации процессов межоперационных перемещений используются различные конвейеры: ленточные, роликовые, цепные, подвесные и т.д.; автооператоры, позволяющие перемещать изделия и заготовки по подвесным магистралям; кантователи, позволяющие переворачивать изделие, что улучшает доступ к его различным поверхностям; накопители, которые используются для питания линии при сбоях на отдельных рабочих местах.

Рассмотрим основные элементы автоматизации производственных процессов на промышленных предприятиях.

Автоматическая линия. Представляет систему автоматически действующих станков, связанных средствами межоперационного перемещения и имеющих единую систему управления. В состав автоматической линии могут входить станки полуавтоматы, станки с ЧПУ, обрабатывающие центры. Каждая линия годится только для обработки определенной детали. При замене детали необходимо осуществлять новую компоновку линии с частичной или полной остановкой производства.

Роторные и роторно-конвейерные линии. Технологические операции выполняются в процессе совместного транспортирования по окружности обрабатываемых заготовок и инструмента. Заготовки и инструмент устанавливаются в гнезда вращающихся навстречу друг другу дисков (роторов). Преимущество роторной линии – высокая производительность, надежность, простота. Недостаток – малая гибкость. Большей гибкостью обладают роторно-конвейерные линии. Инструмент и блоки устанавливаются не на дисках, а на конвейерах, огибающих ротор с заготовками. В этом случае переналадка проще и легче осуществляется переход на другие изделия.

Роторно – конвейерная линия

Роботизированные технологические комплексы (РТК). Представляет собой автономно функционирующую совокупность технологического оборудования, промышленного робота и системы функционирования (ЭВМ). Различают следующие разновидности роботизированных технологических комплексов:

1) манипуляционные РТК, у которых основной исполнительный орган оканчивается захватом или каким-нибудь инструментом;

2) мобильные РТК (колесные, шагающие, гусеничные), используемые, как правило, в экстремальных условиях работы;

3) информационно-управляющие РТК, которые могут не иметь механически движущихся исполнительных устройств, они следят за ходом протекания технологических процессов, обрабатывают информацию, поступающую от каких-либо внешних источников, и в случае необходимости вносят коррективы в протекание контролируемого технологического процесса.

Объединение группы робототехнических комплексов в одну технологическую цепочку изготовления продукции позволяет создать роботизированные автоматические линии (РАЛ). На одной такой линии могут производиться в автоматическом режиме обработка резанием, термообработка, сварка и т.д.

К достоинствам РАЛ относятся высокая производительность и качество выпускаемой продукции, совмещение рабочих и вспомогательных процессов во времени, высокая мобильность и переналаживаемость. К недостаткам этих линий следует отнести высокие капитальные затраты.

Автоматизированные линии и производства

В машиностроении основными направлениями автоматизации являются: применение автоматических поточных линий – системы автоматизированных машин; создание автоматизированных цехов и заводов-автоматов. В машиностроении на долю массового и серийного производства приходится 20-25% продукции, а 75-80% - это мелкосерийная продукция.

Главным элементом гибкого автоматизированного производства (ГАП) является гибкая производственная система (ГПС).

ГПС включает в себя гибкие производственные модули ГПМ от 2 до 20 единиц; единую автоматизированную транспортно-складскую систему; автоматизированную систему инструментообеспечения; систему централизованного управления от ЭВМ.

ГПМ – это единое автоматизированное оборудование с ЧПУ, включающее в себя робототехнические и другие устройства и обладающее возможностью автономного функционирования и автономного переналаживания (например, станок-автомат, обрабатывающий центр и т.д.).

ГАП снабжен автоматизированной связью со складом заготовок и деталей.

Единая автоматизированная транспортно-складская система функционирует по принципу «верни на место», т.е. заготовка со склада транспортируется простыми транспортными роботами и возвращается на склад после обработки. В итоге через склад деталь может быть направлена от одного станка к другому. Может быть использован вариант передачи детали от станка к станку, минуя склад.

Автоматизированная система инструментообеспечения (АСИ) производит автоматическую подготовку и смену инструмента (без вмешательства людей). Например, для бесперебойной работы системы в течение суток в накопителях (магазинах) создается запас необходимых инструментов.

Система централизованного управления (СЦУ) от ЭВМ.

Технико-экономическую эффективность функционирования ГПС обеспечивает:

• высокая гибкость и мобильность, что позволяет в короткий срок перестроиться на выпуск новой продукции;

• универсальность – способность обрабатывать широкую номенклатуру деталей (более 200 наименований);

• низкая чувствительность к изменению конструкции обрабатываемой детали;

• длительные сроки морального устаревания, превышающие срок их физического износа;

• возможность повышения производительности труда и сокращение количества необходимого оборудования;

• возможность лучше использовать технологическое оборудование, коэффициент загрузки оборудования;

• сокращение производственного цикла изготовления изделий;

• возможность перейти к созданию гибких автоматизированных предприятий.

ГАП включает следующие автоматизированные системы:

1. элементы, образующие ГПС;

2. автоматизированную систему контроля качества продукции;

3. автоматизированную систему диагностики отказов, устранения неисправностей всех применяемых технических средств;

4. систему автоматизированных научных исследований;

5. систему автоматизированного труда всех ИТР, работающих непосредственно на производстве.

Степень автоматизации определяется коэффициентом автоматизации :

где t_{авт.раб} – время работы в автоматическом цикле; t_цикла – время полного цикла работы.

Чем выше t_авт., тем меньше Т_шт, при этом повышается возможность многостаночного обслуживания, возрастает стоимость оборудования и затраты на его модернизацию; возрастают затраты времени на переналадку для изготовления других деталей; возрастает размер партии деталей, при которых работа на данном станке становится экономически целесообразной.