Этапы развития современной автоматизации производства

(на примере машиностроения)

 

В области машиностроительного производства в большинстве развитых стран Европы и Америки за прошлый век современная автоматизация прошла три характерных этапа. На диаграмме (рис.29) эти этапы обозначены римскими цифрами, а арабскими (с 1 по 12) отмечены различные группы автоматического оборудования, появившиеся на соответствующих этапах.

 
 

 

 


Рис. 29. Три этапа автоматизации машиностроения

 

Первый этап автоматизации – охватывает примерный промежуток времени между двумя мировыми войнами и характеризуется разработкой, созданием и использованием в производстве отдельных рабочих машин и станков-автоматов.

1.Универсальные станки с ручным управлением обладали небольшой производительностью, почти нулевым коэффициентом автоматизации (имелся механизированный самоходный суппорт), однако они имели высокую гибкость и универсальность.

2.Универсальные автоматы и полуавтоматы (например, многошпиндельные токарные станки), которые имели более высокий коэффициент автоматизации Kа и более высокую производительность Q:

 

 

 

где ta – время выполнения работ автоматически;

tруч – время выполнения работ вручную.

 

где Tц рабочий цикл машины (время выдачи одной детали), определяется по формуле:

 

 

где tp.x. – время рабочих ходов;

tx.x – время холостых (вспомогательных) ходов.

 

Автомат–самоуправляемая рабочая машина, самостоятельно производящая все, как рабочие, так и холостые ходы (движения).

Полуавтомат – это автомат, у которого отсутствует какой-то механизм холостого хода (например: загрузки-разгрузки) и для возобновления цикла необходимо вмешательство человека.

 

Рис. 30. Структура автомата

3.Специальные и специализированные автоматы были разработаны для нужд массового производства, они обладали высочайшей производительностью и были полностью автоматизированы, но в ущерб гибкости и универсальности.

4.Агрегатные станки позволили разрешить противоречие между большой производительностью высокоавтоматизированного оборудования и возможностью его переналадки на выпуск новых деталей. В них был реализован принцип агрегатирования - метод построения более сложных систем из ограниченного набора унифицированных, стандартных, типовых элементов, блоков, агрегатов.

Задачи, решаемые на I этапе:

– автоматизация механизмов холостых (вспомогательных) ходов;

– разработка механизмов управления.

Высшей формой автоматизации первого этапа считалось поточное производство, когда технологическое оборудование (станки) располагаются линейно в направлении выполняемых технологических операций.

Параллельно с развитием техники развивалась и теория автоматизации. Научной основой автоматизации производственных процессов явилась теория производительности автоматических рабочих машин Г.А.Шаумяна, над которой он начал работать еще в 1933 г. По его теории цель автоматизации этоповышение производительности рабочих машин, сокращение численности рабочих, получение экономического эффекта в сравнении с неавтоматизированным производством. Математическую основу теории производительности составляют уравнения, связывающие технологические, конструктивные, экономические и др. показатели рабочих машин.

 

Второй этап автоматизации - характеризовался разработкой и внедрением систем автоматических машин (прежде всего автоматических линий).

5. Автоматическая линия (АЛ) - это система машин, расположенных в последовательности технологического процесса, связанная единой транспортной системой, имеющая единую систему автоматического управления и предназначенная для выполнения всех технологических операций без участия человека. Задача человека сводится к первоначальной наладке оборудования и устранению неполадок. Структурная схема АЛ представлена на рис.31.

 

 

Рис. 31. Структурная схема АЛ

Были разработаны и внедрены различные автоматические линии:

– АЛ из универсальных автоматов;

– АЛ из специальных и специализированных автоматов;

– АЛ из агрегатных станков.

В этом можно увидеть повторяемость спирали развития автоматизации на втором (более высоком) этапе.

6.Станки и участки станков с ЧПУ – высокоавтоматизированное универсальное оборудование для автоматизации мелкосерийного и единичного производства, особенностью которых явилось: большая производительность, высокий коэффициент автоматизации, высочайшая гибкость и легкость переналадки. Существенным недостатком станков с ЧПУ была их ручная загрузка и разгрузка.

7. Промышленные роботы (ПР) и роботизированные технологические комплексы (РТК) - это перепрограммируемые рабочие машины, предназначенные для воспроизведения двигательных функций руки человека. Именно внедрение ПР позволило решить вопросы автоматического обслуживания станков с ЧПУ.

 

 

Рис. 32. Структурная схема промышленного робота

8. Внедрение средств вычислительной техники в производство

Использование ЭВМ при автоматизации производства на этом этапе развивалось в двух направлениях:

– создание микропроцессорных систем управления технологическим оборудованием (автоматами, станками с ЧПУ, АЛ, ПР, РТК);

– автоматизация обработка технологической информации (САПР, АСТПП, АСКИ, АСУП).

Задачи, решаемые на II этапе:

– разработка межстаночного транспорта;

– разработка систем автоматического контроля (например, активного контроля качества изделия в процессе его изготовления);

– разработка систем автоматического управления на базе электронных устройств;

– внедрение ЭВМ в производство.

Высшей формой автоматизации второго этапа считается создание систем машин (автоматических линий, участков станков с ЧПУ и РТК).

Третий этап автоматизации - это этап комплексной автоматизации, когда в автоматическом (или автоматизированном) режиме реализуются практически все этапы жизненного цикла технических изделий (рис.1). Малая (частичная) автоматизация, характерная для первых двух этапов, означала автоматизацию отдельных переходов и операций технологического процесса.

9. На третьем этапе были успешно разработаны и широко внедрены в различные массовые производства автоматические цеха (АЦ) и заводы (АЗ) на основе:

- автоматических линий из универсальных автоматов;

- автоматических линий из специальных автоматов;

- автоматических линий из агрегатных станков.

10. Гибкие производственные модули (ГПМ) - это совокупность единицы технологического оборудования, средств программного управления им и устройств, обеспечивающих автоматическую работу этого оборудования, возможность программной его перестройки и встраиваемость в гибкие системы более высокого уровня (рис.33).

Рис. 33. Структурная схема ГПМ

 

 

11.Гибкие производственные системы (ГПС) – это несколько единиц технологического оборудования, снабженные средствами и системами, обеспечивающими их автоматическое функционирование и легкость переналадки при переходе на производство новых изделий в пределах заданной номенклатуры (рис.31). В машиностроительном производстве ГПС реализуются в виде гибких автоматических участков и гибких переналаживаемых автоматических линий.

На рис. 34 приняты следующие обозначения:

ГПМ – гибкий производственный модуль;

РТК – роботизированный технологический комплекс;

ОЦ – обрабатывающий центр (многооперационный станок);

АС + БШН – агрегатный станок с быстросменными шпиндельными наладками;

ГСМ – гибкий складской модуль;

ГТМ – гибкий транспортный модуль;

ГАУ– гибкий автоматический участок;

ГПАЛ – гибкая переналаживаемая автоматическая линия;

ПМО– программно-математическое обеспечение;

ПЛК – программируемые логические контроллеры;

УЭВМ – управляющие ЭВМ.

Рис. 34. Структурная схема ГПС

 

12.Гибкое автоматизированное производство (ГАП) или интегрированный производственный комплекс (ИПК), в которые помимо ГПС входят:

– автоматизированная система управления производством;

– система автоматизированного проектирования;

– автоматизированная система технологической подготовки производства;

– автоматизированная система контроля и испытания объектов.

Задачи, решаемые на III этапе: автоматизация всех составных частей жизненного цикла технического изделия.

Высшей формой автоматизации третьегоэтапа является гибкое автоматизированное производство (ГАП), достоинствами которого являются:

– увеличение коэффициента использования оборудования;

– снижение простоев оборудования;

– сокращение цикла обработки деталей;

– снижение себестоимости единицы продукции;

– уменьшение численности рабочих;

– сокращение суммарных производственных затрат.

 

В настоящее время на различных предприятиях можно встретить практически все рассмотренные выше группы автоматизированного оборудования. На рис. 35 и 36 представлены графики, поясняющие эффективность и экономичность применения различных средств автоматизации в разных производствах в зависимости от номенклатуры и программы выпуска технических изделий.

 

 
 

 

 


10 000

 

 

 

 

 

 

1 2 5 100 500

 

 

Рис. 35. Области эффективного использования ГАП

 

 

 
 

 

 


Рис. 36. Область эффективной автоматизации

 

Заключение

 

Специалист любой профессии должен знать своих коллег по «цеху», создавших до него то, что он сейчас должен изучить, освоить, и от кого ему предстоит принять эстафету идей и задач, требующих решений на современном уровне. Символично, что совсем недавно история науки, по которой специализируется молодой ученый, включена в экзамен кандидатского минимума при поступлении в аспирантуру.

История научных идей, история решения научных проблем, судьбы людей, посвятивших жизнь решению этих проблем, служат примером, а иногда и ключом к решению задач, которые диктуются современным развитием науки и техники. Нет такого технологического процесса, такого производства и такого технического устройства, которые бы человек не хотел перевести в автоматический режим работы. Перефразируя известное выражение Форда - старшего, можно сказать, что о чем бы инженер не думал, он думает об автоматизации процесса.

На пути автоматизации еще много нерешенных проблем и задач, где пытливому молодому уму будет где приложить свои творческие способности, и в этом ему может помочь данное учебное пособие.