Автоматизация и её роль в промышленности

Автоматизация производственных процессов есть комплекс мероприятий по разработке новых прогрессивных технологических процессов и проектированию на их основе высокопроизводительного технологического оборудования, осуществляющего рабочие и вспомогательные процессы без непосредственного участия человека.

Автоматизацию в машиностроении ни в коей степени не следует понимать лишь как процесс внедрения элементов и схем автоматики, насыщения ими существующих или вновь проектируемых конструкций машин.

Автоматизация – это комплексная конструкторско-технологическая задача создания принципиально новой техники на базе прогрессивных технологических процессов обработки, контроля, сборки. Она включает создание таких методов и схем обработки, конструкций и компоновок машин и систем машин, которые, как правило, были бы невозможны, если бы человек по-прежнему оставался непосредственным участником технологического процесса.

Широкое развитие, автоматизации всех отраслей машиностроения выдвинуло перед машиностроительными вузами актуальнейшую задачу — подготовить не просто специалистов, а инженеров по разработке автоматизируемых технологических процессов; не просто конструкторов по технологическому оборудованию, а создателей новых машин, полуавтоматов и автоматов, автоматических линий и цехов.

Необходимый объем теоретических знаний и практических навыков определяется прежде всего характером решаемых задач автоматизации.

Любую продукцию, для получения которой известны методы и маршруты обработки, наиболее просто можно получить на универ­сальном неавтоматизированном оборудовании с ручным управлени­ем при непосредственном участии человека. Автоматизация производственных процессов, связанная с неизбежными, иногда весьма значительными затратами сил, средств, времени, имеет цель – повышение производительности и качества выпускаемой продукции, сокращение количества обслуживающих рабочих по сравнению с неавтоматизированным производством.

3а счет реализации этих факторов обеспечивается экономический эффект и окупаемость затрат на автоматизацию. При этом важнейшим определяющим фактором успешного внедрения является надежность автоматизированного оборудования. Если показатели надежности оказываются низкими, сложнейшие и технически совершенные авто­матические системы машин становятся менее производительными, чем неавтоматизированное оборудование; число же рабочих после автоматизации не сокращается, а возрастает. Поэтому важнейшим требованием к специалистам, работающим в области автоматизации машиностроения, является умение правильно оценивать целесообразную степень автоматизации в данных конкретных условиях, выбирать и рассчитывать оптимальные варианты построения машин и систем машин. Это не может быть правильно выполнено без наличия специальных знаний, которые, как правило, не даются в общих курсах по технологии и конструированию; поэтому во всех вузах созданы специальные курсы по автоматизации производственных процессов.

Наиболее просто изучение вопросов автоматизации можно производить путем ознакомления с имеющимися образцами автоматизированного оборудования, при соответствующей их типизации, классификации и т. д.; с типовыми методами и средствами автоматизации управления, загрузки и транспортировки, зажима и поворота изделий и т. д. И тогда инженер, обладающий общей хорошей конструкторской и технологической подготовкой, может работать в области автоматизации, воспроизводя известные ему прототипы, разумеется, на более высоком уровне. Такая ознакомительно-описательная методология изучения дисциплин по автоматизации, по-видимому, явилась закономерной для ранних этапов развития автоматизации, когда еще не сложились научные школы по этим вопросам, не был накоплен достаточный опыт проектирования и эксплуатации машин, не сформировались достаточно квалифицированные кадры инженеров и ученых, способных решать усложняющиеся задачи на высшем уровне.

Как известно, большая часть современных автоматов и полуавтоматов и подавляющее большинство автоматических линий относится к специальному оборудованию, для которого основные параметры (число рабочих и холостых позиций, участков, параллельных по­токов обработки и т. д.) выбираются по критериям не кинематики и прочности, а производительности, надежности, экономической эффективности. Основными этапами создания автоматов и линий являются:

а) разработки технологического процесса как основа дальней­шего проектирования;

б) выбор оптимального варианта построения машин или системы машин, ее принципиальной схемы и компоновочного рвения;

в) выбор, расчет и проектирование системы управления;

г) расчет и проектирование целевых механизмов рабочих и холостых ходов;

д) уточнение ожидаемых технико-экономических показателей проектируемого оборудования: производительности, надежности в работе, экономической эффективности по сравнению с базовым вариан­том.

Задачи, решаемые на каждом этапе, тем сложнее и многовариантнее, чем выше степень автоматизации машин, их конструктивная и структурная сложность.

В соответствии с вышеизложенным специалист по автоматизации должен обладать определенным объемом знаний и умений, необходимых для последовательного решения требуемых задач.

Технологические основы автоматизации. Не каждый технологический процесс, сложившийся в условиях совместной работы человека и машины, пригоден в качестве основы для создания автоматизиро­ванного оборудования. Поэтому необходимо на основе анализа специфики технологических процессов автоматизированного производства уметь правильно строить технологические процессы по критериям не только требуемого качества изделий, но и высокой производительности машин.

Основы проектирования автоматов и автоматических линий. На основе познания общности автоматов и линий различного технологического назначения, единых принципов автоматостроения, методов анализа и синтеза необходимо умение решать на высоком уровне задачи выбора принципиального варианта проектируемого оборудова­ния, оптимального сочетания конструктивных, структурных, компоновочных параметров по критериям высокой производительности, надежности, экономической эффективности.

Системы управления. На основе сравнительного анализа всех возможных типов систем управления, их достоинств и недостатков, об­ласти применения необходимо уметь выбирать тип системы управления, формулировать требования к объему выполняемых функций, рас­считывать и выбирать параметры, проектировать специфические ме­ханизмы и устройства управления.

При разработке систем управления все вопросы синтеза системы управления с учетом многовариантности решения необходимо рассматривать не абстрактно, а с позиций достижения автоматом или линией наилучших технико-экономических показателей по качеству изделий, производительности, себестоимости продукции.

Целевые механизмы. На основе изучения, анализа и систематизации методов и средств автоматизации рабочих и вспомогательных операций, принципов их унификации и т. д. необходимо умение производить конструирование и расчет наиболее типовых механизмов и устройств (силовых головок, механизмов подачи материала, зажима, поворота, транспортирования, ориентации и др.). Основное внимание должно уделяться расчету и конструированию механизмов холостых ходов с позиций их быстродействия, надежности в работе, универ­сальности и переналаживаемости. И снова, как при разработке системы управления, вопросы выбора и обоснования должны решаться с позиций обеспечения высоких технико-экономических показателей автоматов и автоматических линий в целом их производительности и экономической эффективности.

Комплексная автоматизация производственных процессов. Этот процесс является завершающим и обобщающим в автоматизации. Здесь проводится анализ путей и перспектив комплексной автоматизации производственных процессов, обоснование экономически оптимальной степени автоматизации; при этом основным объектом анализа и синтеза являются автоматические системы машин — автоматические линии, их технико-экономическая эффективность.

Специалист по автоматизации должен обладать знанием не только различных конструкций и технологических процессов, которых великое множество, но и общих закономерностей автоматостроения, методов анализа и синтеза автоматов и автоматических линий на основе научных положений теории производительности, надежности, экономической эффективности. При этом в учебных курсах по автоматиза­ции любые технологические процессы и конструкции машин должны рассматриваться как взаимозаменяемые примеры, иллюстрирующие общие закономерности проектирования и эксплуатации автоматов и линий.

Теоретической основой автоматизации производственных процессов является теория производительности, которая позволяет рассматривать вопросы проектирования и эксплуатации машин в их диалекти­ческой взаимосвязи, формулировать основные законы автоматостроения, решать конкретные вопросы расчета и выбора технологических, конструктивных, структурных, эксплуатационных параметров с позиций высокой производительности, надежности и эффективности.

Специалисту по автоматизации необходимо знать:

1) материальную часть — типовые примеры конструкций и компоновок автоматов и автоматических линий, систем их управления и целевых механизмов;

2) особенности разработки технологических процессов автоматизи­рованного производства;

3) теорию производительности рабочих машин;

4) теорию надежности и долговечности машин;

5) теорию автоматического регулирования как основу современ­ных систем управления;

6) инженерные методы обоснования выбора оптимальных технологических и конструктивно-компоновочных решений при проектировании;

7) принципы построения многопозиционных автоматов и автомати­ческих линий;

8) методы анализа работоспособности действующих автоматов и автоматических линий с точки зрения получения исходных данных для проектирования новых технологических процессов и машин.

Специалист по автоматизации производственных процессов должен уметь:

1) разрабатывать технологические процессы как основу для проектирования машин-автоматов и автоматических линий с учетом специфических требований к изделиям, стабильности технологических параметров, дифференциации и концентрации операций и т. д.;

2) анализировать варианты технологических процессов с целью выбора оптимальных по критериям количества и качества; необходимого оборудования и т. д.;

3) сравнивать предлагаемые варианты технологических процессов и оборудования по экономическим критериям с базовым, действующим производством;

4) выбирать оптимальную степень автоматизации проектируемого оборудования (станок с ручным управлением, полуавтомат; автомат, автоматическая линия, комплексная система и др.);

5) выбирать и рассчитывать принципиальную схему автомата или автоматической линии с оптимальным сочетанием таких показателей, как число позиций и потоков обработки, участков-секций, тип и ем­кость межоперационных накопителей; вид агрегатирования, компо­новочное решение;

6) выбирать тип системы управления (упорами, копирами, распределительным валом, программное управление и др.), составлять техническое задание на разработку системы, оценивать качество вариантов;

7) разрабатывать конструкцию специфических механизмов и устройств управления и контроля;

8) разрабатывать конструкцию механизмов и устройств для выполнения вспомогательных (холостых) операций — подачи заготовок и их ориентации, транспортировки, зажима, накопления заделов и др.;

9) оценивать количественно перспективность тех или иных направлений автоматизации, новейших конструктивных и компоновочных решений, систем управления.

Разумеется, изучение общеинженерных и специальных дисциплин лишь закладывает основу профессиональной подготовки, которая углубляется конкретной специализацией в последующей практической деятельности, при сохранении общей эрудиции, основ знания и умения.

ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Для современного развития автоматизации процессов машинострое­ния характерны три главные тенденции.

Первая тенденция — широкое применение метода концентрации (совмещения) элементарных технологических операций при созда­нии автоматического оборудования для массового, серийного и мелко­серийного производства. Концентрация операций в одной рабочей ма­шине резко повышает ее производительность, позволяет быстро оку­пить затраты на автоматизацию.

Вторая тенденция — использование метода агрегатирования (агрегатно-модульного принципа построения) металлорежущих станков-автоматов и автоматических линий, сборочных машин, контрольных» транспортных устройств, роботов и систем управления, что в несколь­ко раз сокращает сроки проектирования и изготовления средств авто­матизации и оборудования, создает возможность его перекомпоновки и переналадки при изменении объекта производства.

Третья тенденция — применение микропроцессорной техники и компьютеров для управления технологическими процессами на всех уровнях (включая управление качеством продукции), что создает гибкость производства, высокую надежность управляющих систем, по­зволяет реализовать большие потенциальные возможности современ­ных технологий.

Сочетание этих тенденций обеспечивает высокую эффективность только в случае выбора наиболее рациональных по концентрации опе­раций параметров агрегатного оборудования и технологических систем в целом (структура процесса, компоновочные схемы линий, режимы работы). Отсюда—важность разработки научно-технических основ оптимального агрегатирования технологических систем машин, т. е. научно обоснованных методов, которые позволили бы по задан­ным исходным данным формировать общую совокупность технически возможных вариантов, проводить их сравнительный анализ и отбор вплоть до выделения оптимального по выбранным критериям ва­рианта.

Бурное развитие вычислительной техники, в том числе микропро­цессоров, создало широкие возможности для применения гибкого вы­сокоавтоматизированного оборудования в самых различных областях промышленности и прежде всего в машиностроении. Успехи в этой области создали у ряда специалистов впечатление, что применение компьютеров на раз­личных стадиях производственного процесса уже само по себе способ­но резко повысить эффективность производства. Практика же показы­вает, что даже самые совершенные ЭВМ позволяют лишь наиболее полно реализовать возможности современных технологий и техноло­гического оборудования, но не могут дать большего эффекта, чем сам технологический процесс. Поэтому при проектировании гибких ста­ночных модулей, ячеек, автоматических линий и участков первосте­пенное значение имеет разработка наиболее рационального (оптималь­ного по принятым критериям) технологического процесса обработки деталей и выбор или проектирование станочного или сборного обору­дования, позволяющего осуществить этот процесс.

Автоматизированное машиностроительное производство характе­ризуется постоянным наращиванием выпуска продукции, резким по­вышением требований к ее качеству, все более частой сменяемостью мо­делей машин и приборов, позволяющей непрерывно совершенствовать их конструкции. Отсюда возникает необходимость организации гибко­го. переналаживаемого производства, внедрения гибкого технологиче­ского оборудования во всех типах производства — от мелкосерийного до массового. Главное условие здесь — обеспечение максимальной экономической эффективности, т. е. производство изделий с мини­мальными затратами труда и денежных средств.

Все это позволяет сформулировать основные направления его со­вершенствования:

1) повышение технологичности деталей, сборочных единиц и из­делий в целом, унификация их конструкций;

2) повышение точности и качества заготовок, обеспечение стабиль­ности припуска, совершенствование существующих и создание новых методов получения заготовок, снижающих их стоимость и расход ме­талла;

3) создание автоматических линий и систем машин для комплекс­ного изготовления деталей и сборки изделий с включением всех опера­ций технологического процесса (заготовительных, обработки резани­ем, термической обработки, гальванопокрытий, контроля, сборки, консервации, упаковки и др.);

4) повышение степени концентрации операций технологического процесса и связанное с этим усложнение структур ТСМ;

5) развитие прогрессивных технологических процессов—основы эффективной автоматизации производства, создание новых методов обработки деталей, выбор наиболее эффективной структуры процессов и структурно-компоновочных схем оборудования, разработка новых типов и конструкций режущих инструментов, обеспечивающих высо­кую производительность и качество обработки;

6) повышение степени непрерывности процессов, замена, где это возможно, дискретных процессов непрерывными, более широкое при­менение систем машин непрерывного действия (роторных и роторно-конвейерных линий), совмещающих во времени технологические и транспортные операции;

7) развитие идеи агрегатирования и модульного принципа созда­ния станков, станочных систем и других средств автоматизации: сбо­рочных машин и сборочных линий, загрузочных и транспортных уст­ройств, промышленных роботов, систем управления; разработка на ос­нове стандартных модулей автоматических систем машин, позволяю­щих быстро перестраивать оборудование, обеспечивающих гибкость производства;

8) расширение работ в области автоматизации процессов сборки изделий, применение автоматизированных линий синхронного и не­синхронного типа, позволяющих сочетать автоматические сборочные операции с операциями, выполняемыми вручную; применение сбороч­ных роботов, создание роботизированных комплексов машин, в том числе быстропереналаживаемых;

9) более широкое использование вычислительной техники для управления ра­ботой оборудования, диагностирования его технического состояния, быстрой перестройки производства, повышения эксплуатационной надежности оборудования; как результат этого — создание полно­стью автоматизированных производств (цехов и заводов-автоматов), где технологический процесс реализуется без непосредственного уча­стия рабочих-операторов;

10) разработка и применение систем комплекного проектирования на ЭВМ: конструкций изделий; технологических процессов изготовле­ния деталей и сборки машин; технологического оборудования и средств автоматизации производства.

Успешно решить эти задачи можно при углублении научных иссле­дований в области автоматизации производства, формировании фунда­ментальных теоретических основ автоматизации процессов машино­строения опережающей подготовке инженерных кадров в области ав­томатизации.

Первоочередными в области создания станочных и сборочных ли­ний можно считать такие проблемы, как:

1) развитие теории комплексной оптимизации технологических процессов механосборочного производства, включающей в себя выбор или разработку наиболее эффективных методов выполнения операций обработки поверхностей деталей, а также выбор наиболее рациональ­ной по концентрации операций структуры процессов;

2) разработка методов оптимального многопараметрического син­теза комплексных технологических систем машин, позволяющих без полного перебора всех возможных вариантов вести направленный поиск таких схемных и структурно-компоновочных решений, которые обеспечивают в каждом конкретном случае заданный годовой выпуск деталей необходимого качества с наилучшими технико-экономически­ми показателями.

3) разработка методов сравнительного анализа, выбор типажа, оп­тимальных параметров и конструктивных решений, определение обла­сти наиболее эффективного применения основных средств автоматиза­ции производства, т. е. силовых узлов и транспортных устройств ав­томатических систем машин, манипуляторов и промышленных робо­тов, контрольных автоматов, механизмов автоматической сборки и др.; разработка методов повышения их надежности, быстродействия и точности, улучшения динамических характеристик;

4) разработка организационно-технических основ, методов и средств рациональной эксплуатации станочных систем, которые обес­печили бы наиболее полную реализацию возможностей оборудования для достижения расчетных значений производительности, ритмично­сти производства, качества обработки, себестоимости продукции;

5) развитие методов расчета экономической эффективности авто­матизации и методов экономического обоснования применяемых ре­шений с учетом технических, социальных, психологических и эконо­мических факторов.

При этом главным является не только существенное увеличение применяемых в производстве средств автоматизации и механизации, но и качественное изменение работ в этой области, переход от локаль­ных задач к комплексным.