Основные понятия и определения автоматизации

Классификация технологических процессов и производств

Жизненный цикл технического изделия

Место автоматизации в жизненном цикле технического изделия

Каждый этап развития цивилизации характеризуется свойственными ему техническими изделиями, создаваемыми человечеством для облегчения своего существования. К одним из первых, видимо, следует отнести: гончарный круг, повозки, водочерпальные устройства. Затем появились корабли, паровые машины, паровозы. К техническим изделиям современного этапа можно отнести: станки с числовым программным управлением, промышленные роботы, электронные вычислительные машины, автомобили, ракеты и т.п.

Любое техническое изделие (ТИ) претерпевает в течение времени своего существования ряд видоизменений. Отразим это схематично (рис.1).

В настоящее время при выполнении большинства указанных этапов жизненного цикла технического изделия человек использует различные средства автоматизации:

На первых 4-х этапах, когда основные работы связаны с обзором литературы и патентным поиском, сопоставлением создаваемого ТИ с существующими аналогами, оценкой экономической эффективности от внедрения нового ТИ, маркетингом, используются средства автоматизации обработки информации, которые реализуются современными электронными картотеками, автоматизированными базами данных (БД), локальными и глобальными сетями ЭВМ (включая Internet), электронной почтой и т.п.

На 5-м этапе широко применяются автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), связанные с создаваемым ТИ.

На 6-м и 9-м этапах большое применение нашли различные системы автоматизированного проектирования (САПР) на базе ЭВМ.

7-й этап – это область применения гибких производственных модулей (ГПМ) на основе станков с числовым программным управлением (СЧПУ).

На 10-м этапе используются автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП), включающие подготовку заготовок, инструмента, расходных материалов, т. е. всего, что называется материально-техническим обеспечением (МТО) производства, а также разработку управляющих программ (УП) для ГПМ.

11-й этап – это гибкое автоматизированное производство (ГАП) на базе ГПМ, СЧПУ, промышленных роботов (ПР), роботизированных технологических комплексов (РТК), автоматических складов и управляющих ЭВМ.

8-й и 12-й этапы предполагают использование автоматизированных систем контроля и испытания ТИ (АСКИ), включающие автоматизированный сбор данных по эксплуатации ТИ, накопление статистики, выявление технических отказов и условий приводящих к ним.

13-й этап - это автоматизированные производства по утилизации и переработке отслуживших свой срок ТИ.

Рассмотрим взаимосвязи некоторых автоматизированных этапов создания ТИ. На рис.2 представлена структурная схема интегрированного производственного комплекса (ИПК) – совокупность систем и средств автоматизированного проектирования и автоматизации производственных процессов (сокращенно: САПР/АПП, или CAD/CAM – computer aided design / computer aided manufacturing – компьютерное автоматизированное проектирование и автоматическое производство с управлением от ЭВМ).

Входной информацией системы ИПК является техническое задание (ТЗ) на разработку и создание ТИ, а на выходе ИПК мы имеем готовое к эксплуатации ТИ. Весь комплекс проектных и производственных работ управляется, координируется и контролируется автоматизированной системой управления НИИ (АСУ НИИ) и автоматизированной системой управления предприятием (АСУП) на основе единой базы данных (БД). Кроме ТЗ, в систему ИПК извне должно поступать все необходимое материально-техническое обеспечение (МТО).

2. Технологические и производственные процессы как объекты
автоматизации

В производственной деятельности человека можно выделить большое число разнообразных технологических процессов и производств. Приведем в качестве примера технологический процесс изготовления широко распространенного технического изделия: сборочной единицы «вал – шестерня» (рис. 3).

Сборочная единица состоит из двух деталей: ступенчатого вала I и шестерни II.

Примерный технологический процесс изготовления данной сборочной единицы может быть представлен в виде трех частных технологических процессов:

1. Технологический процесс изготовления ступенчатого вала I;

2. Технологический процесс изготовления шестерни II;

3. Технологический процесс сборки технического изделия.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

Технологический процесс изготовления вала (рис.4) состоит из операций:

1. Изготовление заготовки в заготовительном цехе (отрезка из прутка, литье, горячая штамповка – в зависимости от соотношения диаметра и длины вала)

2. Фрезерно-центровальная операция – подрезка торцов и сверление центровых отверстий 7 и 8;

3. Точение поверхностей 4, 5 и 6;

4. Точение поверхностей 1, 2, 3;

5. Чистовое точение поверхностей 1, 4 и 6 (в центрах 7 и 8);

6. Термообработка (например, закалка);

7. Шлифование поверхностей 1, 4 и 6 для обеспечения требуемой точности диаметров, соосности шеек вала и чистоты их поверхности;

8. Контроль размеров обработанных поверхностей (может иметь место после каждой операции).

Технологический процесс изготовления шестерни (рис.5) включает операции:

1. Получение заготовки (пруток, штамповка, литье);

2. Подрезка торца 2 и черновое обтачивание отверстия 4;

3. Подрезка торца 1 и внешней поверхности 3;

4. Чистовое точение поверхности 4;

5. Нарезание зубьев 3;

6. Термообработка;

7. Шлифование поверхности 4;

8. Шлифование зубьев 3;

9. Контроль размеров обработанных поверхностей.

Технологический процесс сборки включает в себя: перемещение вала и шестерни в зону сборки, напресовка шестерни на вал, контроль и упаковка собранной сборочной единицы, транспортировка ее на склад, либо к месту сборки более сложных сборочных единиц, например, коробки передач.

Рассмотрим более подробно неавтоматизированный процесс обработки вала на токарном станке (например, операцию 4), при котором должны быть выполнены следующие производственные действия (технологические переходы):

– взять заготовку из накопителя заготовок (НЗ) и переместить ее в рабочую зону станка;

– закрепить заготовку на станке;

– включить станок,

– подвести режущий инструмент (резец);

– произвести металлообработку (точение поверхностей 1, 2, 3);

– отвести инструмент;

– выключить станок;

– произвести контроль готовой детали;

– поместить деталь в накопитель деталей (НД).

Изложенная выше последовательность выполнения технологических переходов и операций является наиболее характерной при механической обработке отдельных (штучных) деталей (например, при обработке их резанием на металлорежущих станках).

Введем основные понятия и определения (рис.6), связанные с изготовлением ТИ:

Производственный процесс – это комплекс производственных действий, в результате выполнения которого сырье и исходные продукты, а также энергия и информация превращаются в готовые промышленные технические изделия.

Технологический процесс – это часть производственного процесса (совокупность технологических операций), связанная с преобразованием размеров, формы, состояния (химических или физических свойств) предмета труда и с последующим контролем результатов этого преобразования.

Технологическая операция (ТО) – это часть технологического процесса (совокупность технологических переходов), выполняемая на одном рабочем месте.

Технологическая операция – одно из основных понятий в организации машиностроительного производства, с ней связано планирование производства, нормирование труда, компоновка оборудования, последовательность обработки детали.

Рабочее место – это часть площади цеха (участка), предназначенная для выполнения работы (одной операции) одним рабочим или группой рабочих. На этой площади размещается технологическое оборудование, инструмент, приспособления, накопители для заготовок и готовых деталей.

Технологические переходы (ТП) – это элементарные составляющие части технологической операции. Они делятся на рабочие (t_р) и холостые (t_х).

Все перемещения детали и инструмента, связанные с обработкой, можно разделить на рабочие, выполнение которых относится непосредственно к обработке детали (изменение ее размеров, формы, химических или физических свойств) и холостые, служащие для подготовки рабочих ходов (транспортировка детали из накопителя в зону обработки и обратно, транспортировка детали от станка к станку; подвод инструмента к заготовке и отвод от нее, зажим-разжим заготовки и т.п.).

Обработка одного изделия требует обычно полного комплекса рабочих и холостых ходов, время выполнения которых определяет время рабочего цикла технологической машины:

Т_ц = t_p + t_х ,

где t_p – время рабочих ходов,

t_х – время холостых ходов.

Величина, обратная времени цикла, называется цикловой производительностью.

При ручной обработке рабочие и холостые ходы совершаются рабочим. При механизированной обработке рабочая подача инструмента осуществляется механически специальным самоходным механизмом (например, механическая подача с помощью ходового винта). Обычно рабочие хода современные рабочие машины совершают автоматически (самостоятельно). Если машина самостоятельно выполняет и холостые ходы, то она уже относится к машинам автоматического действия (автоматам).

По характеру производства и виду выпускаемых технических изделий выделяют дискретные (штучные) и непрерывные технологические процессы и операции.

В качестве примера дискретной технологической операции рассмотрим операцию контроля изделия (рис.7), которая состоит из следующих переходов:

– взять деталь из накопителя деталей (НД);

– установить и закрепить деталь на контрольно-измерительное устройство;

– произвести необходимые измерения;

– принять решение о годности детали;

– транспортировать изделие в соответствующую емкость: годные детали, исправимый брак, неисправимый брак.

Рис.7. Рабочий участок контроля ТИ

В приведенных выше технологических процессах обрабатываются отдельные единицы изделия, это так называемые технологические процессы по обработке штучных изделий, такие технологические процессы называют дискретными – им кроме всего присущ циклический характер выполнения составляющих операций и переходов.

В качестве примера непрерывной технологической операции рассмотрим термообработку изделий, которые сплошным потоком проходят через термокамеру (рис.8) и нагреваются там с помощью термоэлектронагревателя (ТЭНа).

В таких процессах всегда присутствуют различные внешние вредные возмущения (колебание электропитания, изменение температуры окружающей среды и т.п.), которые определенным образом влияют на технологические параметры процесса. Задачей оператора или системы автоматики является либо поддержание требуемой постоянной температуры (стабилизация), либо изменение ее значения по заданному закону (слежение), т.е. непрерывное регулирование температуры во времени. Регулированию в технологических установках могут подлежать также и другие параметры: давление газа, расход вещества, уровень жидкости и т.п. Такие технологические процессы называются непрерывными – им присущ также и непрерывный характер движения материальных потоков (заготовок, деталей, жидкостей, газов).

В каждом производственном и технологическом процессе для выполнения любой технологической операции должны присутствовать три обязательных потока:

– Материальный, связанный с изменением формы и состояния заготовки, изделия, инструмента, или какого-либо исходного материала, а также с их перемещением.

– Информационный, связанный со сбором, хранением и переработкой технологической информации и с выработкой управляющих команд, необходимых для организации материального потока.

– Энергетический, связанный с обеспечением технологического процесса всеми видами энергии (механической, электрической, гидравлической, пневматической и др.).

Производственные процессы классифицируют по степени механизации и автоматизации на следующие типы:

Ручное производство – это такой вид деятельности, когда человек непосредственно участвует в осуществлении (реализации) материального, энергетического и информационного потоков.

Механизированное производство – когда человек частично освобожден от участия в энергетическом и материальном потоках.

Автоматическое производство – когда человек полностью освобожден от участия в информационном, материальном и энергетическом потоках (это высшая степень автоматизации).

Автоматизированное производство – когда человек частично участвует в информационном потоке. Это выражается в основном в принятии решений, коррекции целей и задач производства, перепрограммировании, переналадке производства и т.д.

Все многообразие технологических операций, процессов и производств с точки зрения их автоматизации можно свести к трем типовым задачам:

1. Автоматическое выполнение заданной последовательности простых взаимных перемещений предмета труда и рабочего органа (РО), а также заданной последовательности обработки информации.

2. Автоматическое взаимное перемещение изделия и рабочего органа по заданной сложной траектории (на плоскости или в пространстве).

3. Автоматическое выполнение заданного непрерывного закона изменения определенных параметров процесса (температуры, давления, расхода и т.п.).

Первый случай имеет место при реализации дискретных технологических процессов при производстве штучных изделий. Например, обработка ступенчатых валов (рис.4), сверление множества отверстий в печатных платах (рис.9,а), сборка узлов и агрегатов или упаковка изделий (рис.9,б). Последовательность перемещений рабочих органов при этом задается циклограммой, а реализуется, например, с помощью кулачкового распределительного вала, электромеханического командоаппарата, а в настоящее время – программируемыми логическими микроконтроллерами, т. е. системами циклового программного управления (ЦПУ).

Второй случай также характерен для дискретного производства и имеет место, во-первых, при обработке деталей сложной формы, когда режущий инструмент или деталь должны перемещаться по сложной траектории (рис.10,а), здесь используются копиры, шаблоны, либо системы числового программного управления (ЧПУ), а во-вторых, при транспортировке деталей или инструмента по сложной траектории с помощью промышленных роботов (рис.10,б), здесь используется позиционные или контурные системы ЧПУ.

Третий случай возникает при необходимости поддержания постоянными, или изменения по заданному закону (алгоритму) каких-то параметров технологического процесса (рис.11), например, уровня воды в котле, давления пара в нем, температуры печи, влажности воздуха, скорости перемещения рабочих органов и т.п., и в отличие от первых двух характерен для непрерывных процессов и производств.

В зависимости от номенклатуры и количества производимых технических изделий все производства делятся на три типа:

1. Массовое производство – выпуск ограниченной (чаще всего одной) номенклатуры изделий в большом количестве, например: производство подшипников или крепежных изделий (болтов, винтов, гаек и т.п.).

2. Серийное производство (крупносерийное, среднесерийное и мелкосерийное),

например: производство самолетов, танков, станков.

3. Единичное производство – характерно для изготовления экспериментальных изделий или уникальных объектов, например: космических аппаратов.

		Рис. 10б. Перемещение схвата ПР по сложной траектории
		Рис. 11б. Программное управление параметром P

Авто …(от греческого autós – сам) – часть сложных слов, обозначающая «само…», «свой». Например: автомобиль (авто – сам, mobilis – подвижный, самодвижущийся), автопилот, автопортрет, автограф, автобиография и т.п.

Автомат – (от греческого autómatos – самодействующий) - устройство (совокупность устройств), выполняющее по заданной программе без непосредственного участия человека все действия (переходы, операции) в процессе получения, преобразования, передачи и распределения (использования) энергии, материалов и информации. В кибернетике автомат – это математическая модель устройства или процесса, перерабатывающего аналоговую или дискретную (цифровую) информацию (конечный автомат, автомат Миля, автомат Мýра).

Программа автомата – это комплекс каких-либо предписаний (заданий, инструкций, алгоритмов). Программа может быть задана либо в его конструкции копирами, кулачками, рычагами и др. механизмами (часы, торговые автоматы), либо извне посредством перфокарт, перфолент, магнитных лент, магнитных или оптических дисков и т.п. (станки с числовым программным управлением, ЭВМ).

Полуавтомат – это машина или агрегат, самостоятельно выполняющий рабочий цикл, но подготовка к следующему циклу и пуск осуществляется человеком.

Автоматика – техническая наука (в области теоретических и прикладных знаний) о методах и средствах построения автоматических устройств, механизмов, агрегатов и систем, действующих без непосредственного участия человека.

Автоматизация – практическое применение (внедрение) вышеперечисленных самодействующих механизмов и систем в производство (на транспорте, в строительстве и в других областях деятельности человека).

Автоматизируются: технологические, энергетические, транспортные и другие производственные процессы; проектирование устройств, механизмов и машин; проектирование технологии их изготовления; организация, планирование и управление производством; научные исследования, контроль и испытания технических изделий.

Автоматизация может быть малой (частичной) и комплексной, охватывающей все составные части производственного процесса и его подготовки (рис.6).

Автоматическая система управления (АСУ) – это управляемый объект, измерительная и управляющая аппаратура, объединенные в систему, в которой обработка информации, форматирования команд управления и их преобразование в воздействие на управляемый объект осуществляется без участия человека.

Дата добавления: 2014-01-03