Принципы технической политики автоматизации машиностроительного производства

СОДЕРЖАНИЕ

 

РАЗДЕЛ 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ......................... 2

Введение.......................................................................................................... 2

1.1 Принципы технической политики автоматизации машиностроительного производства.................................................................................................. 3

1.2 Социальные последствия автоматизации производства................... 8

1.3 Основные положения, понятия и определения автоматизации как науки 9

1.4 Технологический процесс автоматизированного производства..... 11

1.4.1. Технологичность конструкций изделий для условий автоматизированного производства................................................................................................ 11

1.4.2. Элементы автоматизированного технологического процесса.... 24

1.4.3. Характеристики технологических процессов автоматизированного производства................................................................................................ 26

1.4.4. Этапы и методологические особенности проектирования автоматизированного технологического процесса................................. 32

РАЗДЕЛ 2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ...................................... 42

2.1 Управление технологическими объектами и его виды.................... 42

2.2 Системы автоматизации и управления.............................................. 43

2.3 Системы автоматического контроля (сак)......................................... 46

2.4 Системы автоматической защиты (САЗ)........................................... 48

2.5 Системы автоматической блокировки............................................... 50

2.6 Системы автоматического регулирования (САР)............................. 51

2.7 Системы автоматического управления.............................................. 53

РАЗДЕЛ 3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.......................... 59

3.1 Базовые логические схемы................................................................... 59

3.2 Шифраторы............................................................................................ 63

3.3 Дешифраторы........................................................................................ 64

3.4 Мультиплексоры................................................................................... 65

3.5 Демультиплексоры................................................................................ 67

3.6 Сумматоры............................................................................................. 68

3.7 Триггеры................................................................................................ 69

3.8 Счетчики................................................................................................. 74

3.9 Регистры................................................................................................. 80

3.10 Устройства памяти.............................................................................. 82

3.11 Аналого – цифровое и цифро – аналоговое преобразование........ 92

 

РАЗДЕЛ 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АВТОМАТИЗАЦИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Введение

 

В течении длительного времени в различных отраслях промышленности и в первую очередь в машиностроении существуют два вида производств: неавтоматизированное и автоматизированное.

Первое - мелкосерийное и единичное неавтоматизированное производство, которое базируется на универсальном оборудовании, в большинстве случаев с ручным управлением. Такое производство, хотя и обладает высокой гибкостью (то есть способностью быстрого перехода на выпуск разнообразной продукции), однако малопроизводительно, требует непосредственного участия человека в производственных процессах, преимущественно на уровне ручного или механизированного труда. Немаловажно и то, что в таком производстве значительно влияние субъективных факторов на качество продукции, которое зависит от квалификации персонала, социальных и психологических условий труда.

Второе - это массовое или серийное высокоавтоматизированное производство. Массовое машиностроение базируется на поточных и автоматических линиях, агрегатном многопозиционном и многоинструментальном технологическом оборудовании. Интенсивная автоматизация автомобильной, тракторной, подшипниковой, часовой и других отраслей промышленности, начавшаяся с середины 50-х годов, привела к появлению высокоэффективных малолюдных производств в масштабах участков и цехов. Однако такие производства до настоящего времени ориентированы на использование специального полуавтоматического и автоматического оборудования, не обладающего технологической гибкостью и широкими технологическими возможностями. В результате при смене объектов производства часть (иногда достаточно значительная) технологического оборудования и оснастки выводится из сферы производства вне зависимости от их физического состояния, что, естественно, отрицательно сказывается на финансово-экономическом состоянии предприятия. Современное автоматизированное серийное машиностроение основывается на компонентах гибких производственных систем (РТК, ГПМ, ГПЯ и т.д.) с использованием промышленных роботов, процессорных систем управления оборудованием, технологическими процессами и производством в целом.

Здесь следует отметить наличие в массовом и серийном машиностроении и таких предприятий, которые сложно однозначно отнести к первому или второму виду производств. Несмотря на присутствие в их парке технологического оборудования полуавтоматов и автоматов, тем не менее, все остальные функции выполняются на таких предприятиях вручную (перемещение предметов и средств производства, контроль, учет, управление и т.п.).

Коренные преобразования производства на современном этапе диктуются высокими темпами научно-технического прогресса в мире, социальными требованиями общества, существенным из которых является не столько увеличение количества, сколько ассортимента и качества продукции, выпускаемой всеми отраслями промышленности, в том числе и машиностроительными. Таким образом, в современном машиностроении неизбежно будет преобладать серийный тип производства, гибкость и эффективность которого основана на комплексной автоматизации сквозного процесса проектирования изделия, технологической подготовки предприятия и собственно производства этого изделия. Высокоэффективная автоматизация всех сторон производственной деятельности человека и особенно технологических процессов способствует высокой конкурентоспособности предприятия в условиях рыночных экономических отношений.

В экономически развитых странах рост образовательного, материального и культурного уровней трудящихся существенно изменяет требования к условиям и содержательности труда на машиностроительном предприятии. Ручной труд, особенно малоквалифицированный, монотонный и тяжелый, становится все более непривлекательным. Поэтому технический арсенал средств неавтоматизированного производства становится все более социально неприемлемым. Иными словами, современному производству необходима комплексная автоматизация всех основных (технологических) и вспомогательных процессов.

 

Принципы технической политики автоматизации машиностроительного производства

 

Одной из серьезных социальных проблем в настоящее время является растущая непопулярность ручного, монотонного и тяжелого труда, не требующего особой квалификации, не содержащего творческих элементов и не вызывающего интереса. Да и общественная значимость такого труда, ее денежный эквивалент - заработная плата, относительно низки, что усугубляет проблему. Средством ее разрешения является комплексная автоматизация и механизация производства, то есть создание и внедрение таких технических средств и систем, которые позволяют выполнить производственные функции либо без участия человека, либо с его ограниченным участием на уровне механизированного труда, управления и принятия решений.

Достижение целей и решение задач комплексной автоматизации требует не только целенаправленной деятельности инженеров и рабочих, но и больших исследований, составляющих научные основы комплексной автоматизации. Фундамент этих научных основ составляют:

· теория управляемых технологических процессов, исследующая вопросы оптимального дифференцирования этих процессов на элементарные операции и концентрации их на станках-автоматах, полуавтоматах, автоматических линиях с гарантированным обеспечением параметров качества;

· теория функционального и структурного анализа технологических операций и автоматизированного оборудования;

· теория проектирования (синтеза) технологических машин-автоматов и их систем (автоматических линий);

· теория проектирования систем автоматического управления технологическими машинами, процессами и производством;

· теория адаптивного управления технологиями и оборудованием;

· научные основы расчетов и конструирования целевых механизмов и устройств автоматизации, технологической оснастки, приспособлений и инструментов для автоматизированного производства;

· научные основы высокопроизводительной и высокоэффективной эксплуатации автоматизированного оборудования;

· научные основы высокоэффективной организации труда в автоматизированном производстве и т.д.

Кроме того, научные основы автоматизации базируются на ряде фундаментальных научных теорий, таких как:

· теория достижения точности и других параметров качества;

· теория надежности и производительности технологических машин и их систем;

· теория технико-экономической эффективности новой техники и т.п.

Развитие научных и теоретических основ комплексной автоматизации позволяет на более высоком уровне решать следующий основные задачи:

· анализ и выбор наиболее перспективных путей автоматизации, в первую очередь создание и внедрение гибких автоматизированных производственных систем;

· определение технического, экономического, экологического и социального эффекта при автоматизации;

· научное обобщение опыта работы передовых проектных организаций, отработка оптимальной организации проектирования (конструкций и технологий) от технического задания до промышленных испытаний и внедрения высокоавтоматизированных технологий и средств автоматизации;

· разработка методологии комплексной оптимизации параметров проектируемого автоматизированного оборудования с доведением результатов до конкретных инженерных методик с широким применением методов и средств автоматизированного проектирования (САПР);

· разработка научных принципов технической политики в области комплексной автоматизации и т.д.

Успехи современной автоматики и вычислительной техники привели к тому, что в ряде случаев автоматизация трактуется лишь как процесс замещения человека при выполнении им функций в машиностроительном производстве различными устройствами, системами управления и контроля. При этом подразумевается, что технологические процессы, конструкции и компоновки технологических машин остаются, в основном, на прежнем уровне. Такая трактовка автоматизации принципиально ошибочна. Содержание любого производства составляют технологические процессы получения материалов, заготовок, их переработки, контроля и сборки изделий, материализованные в конструкциях и компоновках технологических машин, аппаратов, приборов и их систем. Именно в этих технологических процессах заложены все потенциальные возможности качества и количества выпускаемой продукции, экономической эффективности производства в целом. Любая система управления оборудованием (от ручной до автоматической) есть лишь форма реализации этих технологических возможностей. Никакая автоматика не может дать более того, что заложено в технологии.

Между тем все технологические процессы неавтоматизированного производства обладают низким потенциалом вследствие невысокой интенсивности труда, слабой концентрации операций и совмещения их во времени. Простое замещение функций человека средствами автоматизации в технологических процессах, которые десятилетиями складывались применительно к его (человека) ограниченным возможностям (по энергетике, быстродействию, способности обрабатывать большие потоки информации и т.п.), не может быть признано перспективным.

Автоматизация производственных процессов в машиностроении есть комплексная конструкторско-технологическая задача создания новой техники, принципиально отличной от технического арсенала средств неавтоматизированного производства.

Стратегия автоматизации – не в замене человека при обслуживании технологических машин, а в создании новых высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств производства, которые принципиально не могут функционировать при непосредственном участии человека.

При этом в конкретных производственных условиях следует руководствоваться нижеперечисленными принципами технической политики автоматизации.

Первый принцип - достижение конкретных результатов. Средства и системы автоматизации должны не просто имитировать и замещать действия человека, а выполнять производственные функции быстрее и лучше, лишь тогда они будут эффективными. Изменение численности какой-либо категории работающих или замена ручного манипулирования автоматическим - не цель и не результат автоматизации. Анализ эффективных работ по автоматизации показывает, что 60...70% экономического эффекта получается благодаря более высокой производительности автоматизированного оборудования по сравнению с неавтоматизированным; 15...20% - в результате повышения или стабилизации качества продукции и лишь 10...15% - вследствие экономии фонда заработной платы. Поэтому при планировании и обосновании работ по автоматизации производства необходимо предварительно проанализировать, как могут повлиять намеченные мероприятия прежде всего на качество и количество выпускаемой продукции и лишь затем на численность обслуживающего персонала. Рассмотрение с этих позиций даже самых перспективных средств автоматизации - станков с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленных роботов, автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и т.д. - показывает неравноценность их внедрения в различных условиях производства. Можно привести два примера.

Применение многоцелевых станков с ЧПУ взамен универсальных на операциях контурного фрезерования сложных поверхностей обеспечивает увеличение производительности в 2,5...3 раза, при обработке плоских плит - в 1,5...2 раза, а при сверлении глубоких отверстий в корпусных деталях - снижение производительности на 20...30% (вследствие более высоких «адаптирующих» свойств человека при контроле процесса сверления по шуму, вибрациям и другим косвенным признакам, тогда как в станке с ЧПУ предотвращение поломок инструмента из-за пакетирования стружки обеспечивается прерыванием процесса и выводом сверла по жесткой программе).

Второй пример - использование промышленные роботы для автоматизации загрузки металлорежущих станков. Во многих случаях роботы обеспечивают выигрыш только по фонду заработной платы (высвобождение рабочих), проигрывая человеку в длительности цикла загрузки-съема деталей массой 3...10 кг примерно в 2-4 раза (соответственно для манипуляторов с двумя и одним захватом). При попытке такой «автоматизации» сильно дифференцированного технологического процесса, характеризующегося малой величиной машинного времени, достигнуть экономического эффекта, как правило, не удается.

Второй принцип - комплексность подхода. Все важнейшие компоненты производственного процесса - технология, основное и вспомогательное оборудование, системы управления, организация производства, вопросы экологии, кадров и т.д. - должны рассматриваться в совокупности и решаться на новом, более высоком уровне. Иногда достаточно упустить из поля зрения хотя бы один компонент производственного процесса, например, технологичность конструкции изделия и вся система мероприятий по автоматизации может оказаться неэффективной. Тем более неперспективны попытки сводить автоматизацию лишь к преобразованию отдельных компонентов, например, созданию сложных и дорогих микропроцессорных систем управления при сохранении отсталой технологии и организации производства.

Третий принцип - принцип необходимости: средства автоматизации, включая самые перспективные и прогрессивные, должны применяться не там, где их можно приспособить для каких-то целей, а в первую очередь там, где без них нельзя обойтись. Подавляющее большинство универсальных (да и специальных) металлорежущих станков, прессов, сварочного и другого оборудования - однопозиционные и одноинструментальные, то есть в них одновременно может обрабатываться одно изделие одним инструментом. Это обусловлено ограниченными возможностями человека, который не в состоянии воспринимать и перерабатывать информацию, принимать оптимальные решения и оказывать воздействие (одним словом - управлять) одновременно по нескольким процессам или объектам. Применение современных систем управления, основанных на электронике, позволяет создать оборудование с высокой степенью концентрации операций технологического процесса со многими одновременно действующими механизмами и инструментами. Поэтому техническая политика, особенно при автоматизации серийного и массового производств, должна быть направлена в первую очередь на проектирование и внедрение многопозиционных и многоинструментальных технологических машин с оптимальной концентрацией операций. Следует в качестве первоочередных объектов для автоматизации принимать такие, где человек не может конкурировать с роботом. В качестве примера можно привести промышленные роботы технологического назначения, широко используемые в автомобильной промышленности для контактной точечной электросварки кузовов автомобилей. Человек не способен с такой скоростью производить сварку, перемещая достаточно тяжёлое и неудобное сварочное приспособление (клещи) по точной траектории, да ещё иногда в стесненном пространстве. Поэтому такие роботы с ЧПУ и обусловили необходимость применения в автомобилестроении, обеспечивая при этом в 10-20 раз более высокую производительность по сравнению с человеком.

Следует отметить, что для производств, цехов, участков, отдельных рабочих мест с вредными или опасными для человека условиями труда, соблюдение принципа необходимости должно трактоваться не только и не столько экономической целесообразностью автоматизации, сколько условиями безопасности труда для жизни и здоровья людей (в том числе экологической безопасностью для окружающей среды).

Четвертый принцип - своевременность. Внедрение и тиражирование недостаточно отработанных, не доведенных до совершенства технических решений в области автоматизации недопустимо. Зачастую пренебрежение этим принципом, внедрение (иногда «волевым» решением) не доведенных до соответствующего уровня, но достаточно дорогих средств и систем автоматизации приводит к их дискредитации.

С повышением уровня автоматизированности машиностроительного производства возникают новые проблемы, требующие теоретического анализа, изучения и разработки новых технических и организационных решений. Эти проблемы и их решения в большинстве случаев являются общими для всех машиностроительных производств. Эта общность существует независимо от отраслей производства, характера выпускаемой продукции и обусловлена единой научной основой автоматизации дискретного производства, выражающейся в общности принципов действия средств автоматизации, встроенных в технологические машины и комплексы. Общность проявляется и в единых закономерностях производительности, надежности, экономической эффективности, в общих принципах агрегатирования машин, определения оптимальных режимов обработки и т.д.

Серийное производство высокоэффективных средств автоматизации - технологических машин-автоматов, промышленных роботов, автоматических линий и их элементов, систем автоматического управления и т.п., не может быть обеспечено только силами специализированных организаций, предприятий и фирм. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что без собственных специализированных подразделений по автоматизации производства, без возможностей на самих машиностроительных предприятиях конструировать, отрабатывать и изготавливать средства автоматизации, автоматизированное технологическое оборудование, оснастку для специфических условий производства, без самостоятельного участия в построении и внедрении автоматических линий, гибких автоматизированных участков, решить проблемы автоматизации практически невозможно. Для разрешения всего комплекса проблем, связанных с автоматизацией производства, в машиностроительных предприятиях должны создаваться специализированные подразделения, включающие конструкторов, технологов, менеджеров, дизайнеров и других специалистов.