Основні положення автоматизації 2 страница

Повна – автоматизація технологічних процесів або систем при яких всі витрати енергії людини замінені витратами енергії неживої природи.

Одинична – часткова або повна автоматизація одного елементу технологічного процесу або системи технологічного процесу включаючи керування. Токарні автомати, завантаження-розвантаження заготовок, в технологічному процесі з 5 операцій може бути автоматизовано 1 операцію.

Комплексна – автоматизація, яка охоплює всі стадії виробництва починаючи з одержання вихідних матеріалів і напівфабрикатів і закінчуючи складанням. Автоматизація здійснюється в декілька етапів, тому розрізняють первинну та вторинну автоматизацію.

Первинна – автоматизація технологічних процесів та їх систем в яких до здійснення автоматизації використовується лише енергія людини.

Вторинна – автоматизація технологічних процесів та систем в яких до її здійснення вже використовувалися елементи неживої природи.

Розрізняють 4 основні напрямки автоматизації:

- автоматизація керування траєкторією відносного руху робочого інструменту та предмету праці або автоматичного циклу роботи. Робочий цикл (цикл роботи) – час від початку до кінця повторюваних запрограмованих дій.

- автоматизація допоміжних процесів пов’язаних з виконанням установлення, знімання, затиснення, обробки, транспортування, складування, технологічний контроль очищення заготовок і деталей, видалення відходів системи. Діагностування стану системи.

- автоматизація планування, контролю та керування ходом виробничого процесу в автоматизованій системі, а також автоматизація матеріально-технічного забезпечення.

- автоматизація поточного технологічного підготовлення виробництва при освоєнні нової номенклатури виробів.

Оцінка з допомогою якісних і кількісних показників. Кількісна оцінка дасть більш об’єктивний результат. Кількісна оцінка рівня автоматизації здійснюється відношенням часу автоматизації роботи до розглянутого періоду часу і називається ступенем автоматизації виробничого процесу.

В залежності від того, який проміжок часу розрізняють циклову, робочу і експлуатаційну автоматизацію.

, – час автоматизації роботи протягом циклу; - повний час циклу.

, – доля штучного часу, яка виконує автоматизацію; - штучний час операції або переходу.

, – час автоматизації роботи протягом розрахункового періоду часу до розрахункового періоду експлуатації. – зміна, декада, місяць, квартал, рік.

Таблиця 1.1 – Кількісна оцінка рівня автоматизації

Кр	Рівень автоматизації
	Відсутня
0,01-0,25	Низький
0,26-0,45	Малий
0,45-0,6	Середній
0,6-0,75	Великий
0,75-0,9	Підвищений
0,9-0,99	Високий
	Повна

Автоматизація технологічного процесу виконують на автоматичних машинах. Одним з найважливіших чинників, які означають досконалість робочої машини є ступінь участі людини. Розрізняють наступні види машин та систем за участю людини:

- автомат

- напівавтомат

- автоматична лінія

- гнучка виробнича система

Автоматом називають робочу частину чи систему машин на якій при здійсненні технологічного процесу всі елементи робочого циклу виконуються автоматично. Повторення циклу здійснюється без участі людини. Токарні багатошпиндельні автомати – пруткові. Виділяють більш складні і більш прості автомати. В простих людина налагоджує і слідкує за роботою. В більш складних втручання людини не потрібне (автомат сам регулює, змінює ріжучий інструмент, видаляє стружку).

Напівавтоматом називають робочу машину, цикл роботи якої в кінці виконання операції переривається для поновлення циклу (пуску), необхідне втручання людини (знімання, встановлення заготовки, зміна і регулювання ріжучого інструменту). Багатошпиндельний патронний напівавтомат, які працюють з обробкою штучних заготовок. Зубостругальні, зубофрезерні, протягу вальні напівавтомати.

Напівавтомат і автомат відрізняє те, що напівавтомат виконує лише 1 цикл, і для його повторення потрібне повторне включення.

Автоматична лінія – автоматично діюча система машин розташованих в технологічній послідовності та об’єднаних загальними засобами транспортування, керування, нагромадження наробків, видалення відходів тощо. Функції людини: налагодження, спостереження, керування, може здійснювати контроль, підналагодження, зміну ріжучого інструменту. Людина може виконувати початкові і кінцеві функції – завантаження і розвантаження.

Гнучка виробнича система – сукупність в різних сполученнях обладнання з ЧПК, гнучких виробничих модулів, технологічного обладнання та систем їх функціонування в автоматичному режимі протягом заданого інтервалу часу. Сукупність, яка може автоматично переналагоджуватись при виробництві виробів, встановленої номенклатури у встановлених межах значень їх характеристик.

Гнучкість – можливість невидимої реакції виробничої системи на зовнішні і внутрішні збурення. Спроможність за завданням ззовні переходити на виготовлення нової продукції. А при виході з ладу окремих одиниць обладнання швидко здійснювати їх заміну шляхом заміни маршруту. Організаційна структура гнучкої виробничої системи поділяється на 4 рівні:

Рисунок 2.1 – Рівні автомотизації

- перший рівень гнучкий виробничий модуль (ГВМ) – одиниця техноло­гічного обладнання з пристроєм програмного керування і засобами автоматичного технологічного процесу, яка функціонує автономно здійснюючи багатократні цикли і має можливість вбудовуватись в систему більш високого рівня. Засоби автоматизації, які входять: накопичувачі, супутники, пристрої завантаження – розвантаження, пристрої зміни технологічного оснащення, видалення відходів, переналагодження обладнання та інші допоміжні пристрої, агрегати, механізми

- другий рівень гнучка автоматизована дільниця (ГАД) – сукупність ГВМ, об’єднаних автоматизованою системою керування, яка функціонує за технологічним маршрутом, в якому передбачено чи не передбачено можливість зміни послідовності використання технологічного оснащення.

Рисунок 2.2 – Схема гнучкої автоматизованої дільниці

- третій рівень гнучкий автоматичний цех (ГАЦ) – сукупність гнучких автоматичних дільниць і ліній або лише гнучких автоматичних ліній призначених для виготовлення виробів заданої номенклатури

- четвертий рівень гнучкий автоматичний завод (ГАЗ) – сукупність ГАЦ призначена для випуску готових виробів у відповідності з планом виробництва

Рисунок 2.3 – Схема гнучкого автоматичного цеху

2.2 Рівні автоматизації

Автоматизація завжди передує механізації виробничих процесів, при якій пряма ручна праця замінюється дією машин, керованих людиною. Виробничі функції, які виконуються людиною в процесі праці поділяються на 4 основних групи:

- енергетичні функції прикладання зусиль для виконання робіт

- технологічні функції використання знарядь праці для зміни стану предмету праці

- функції керування роботою машини

- контрольно-регулювальні функції – контроль, регулювання, програмуван­ня процесу.

Перші 3 групи повинні здійснюватися єдино при кожному робочому циклі, а 4-й вид здійснюється періодично, тому їх називають поза цикловими.

Заміна функцій людини технологічними засобами – це закони розвитку технічних сил. За обсягом автоматизованих робіт розрізняють 5 рівнів автоматизації:

- перший – автоматизація циклу роботи (рисунок 2.4). Вона містить керування послідовністю та характером руху робочого інструменту з метою зміни стану предмету праці. Найбільше втілення ця група отримала в верстатах з ЧПК. При цьому людина позбавляється функцій керування машиною, таким чином людина не прив’язана до робочого місця. Це початковий ступінь автоматизації виробництва.

Рисунок 2.4 – Автоматизація циклу роботи

Регулювання температури гартувальних печей або для нагріву заготовок.

За людиною закріплювалось налагодження. Термопара вимірювала температуру, перетворюючи її в напругу. Проте є необхідна температура. При різниці температур спрацьовує сигнал, який подається у вигляді різниці температур на підсилювач. Внаслідок чого обертається двигун, який переміщує повзун і таким чином регулюється реостат.

- другий рівень – перший + автоматизація навантаження (рисунок 2.5). Автоматизація установки та заміни заготовок до складальних машин. Ця область дозволяє робітнику обслуговувати декілька одиниць робочого обладнання. Цей рівень найчастіше забезпечується створенням робочо технічних комплексів. Промисловий робот може обслуговувати декілька одиниць обладнання.

Деякі заготовки не нагріваються або нагріваються, через різні товщини стінок. По різному йде нагрів. Тому і виникає проблема.

- третій рівень – другий + автоматичний контроль (рисунок 2.6). Здійсню­ється контроль за геометрією різального інструменту і своєчасна його заміна, контроль за випрацьовуванням ресурсу інструменту, контроль розмірів, які отримуються, контроль положення різальних кромок різального інструменту, контроль якості оброблюваних розмірів, форми, відносного розташування поверхонь, стану поверхневого шару, контроль за станом верстату, за видаленням стружки, контроль з метою встановлення часу підналагодження. Третій рівень забезпечує створення ГВМ.

Рисунок 2.5 – Автоматизація циклу роботи і автоматизація завантаження

- четвертий рівень – третій + автоматизація переналагодження обладнання. Переналагодження верстатів на обробку виробів іншого найменування поки, що здійснюється вручну. Щоб перейти від обробки корпусів до обробки втулок (валів) необхідно зняти обладнання і встановити нове. Цьому перешкоджає висока вартість засобів автоматизації. Технічні труднощі, які стоять на шляху створення високо надійного обладнання стримують використання цього рівня в машинобудуванні.

Рисунок 2.6 – Автоматизація циклу роботи, автоматизація завантаження

і автоматичний контроль

Контроль швидкості нагрівання. Регулювання.

Еталонне налагодження. Отримуємо автоматичну адаптивну систему, яка пристосована до окремих результатів. Якщо йде недогрів заготовки йде сигнал, який регулює температуру і швидкість нагрівання. Процес здійснюється самостійно без втручання людини, яка здійснює лише керування параметрів температури.

- п’ятий рівень – ГВС. ГВС забезпечує комплексну автоматизацію вихідних ланок виробничого процесу, включаючи підналагодження виробництва, розробку конструкторської і технологічної документації. Точні межі раціонального застосування рівнів автоматизації неможливо, бо вони залежать від техніко – економічних показників, від рівня технологічних знань підприємства, його фінансового стану.

2.3 Економічна ефективність автоматизації

Кожен захід автоматизації виробництва повинен бути економічно обґрунтованим. Для підвищення надійності розрахунків, економічна ефективність автоматизації визначається на всіх стадіях створення і впровадження автоматизації.

- попередній розрахунок здійснюється на стадії розробки технічного завдання виходячи з розрахункових значень капіталовкладень, запланованої продуктивності праці, собівартості. Цей розрахунок здійснюється на основі досвіду тих хто розробляє технічне завдання, на основі аналогічних систем.

- уточнений попередній розрахунок здійснюється на стадії розробки технічного проекту

- розрахунок очікуваної економічної ефективності здійснюється на стадії дослідної експлуатаційної системи виходячи з планових значень вихідних даних

- розрахунок фактичної економічної ефективності здійснюється на стадії впровадження системи на основі фактично одержаних результатів.

Розрахунки на всіх стадіях робіт виконуються за єдиною методикою, яка встановлюється галузевою документацією і відрізняються розрахунки лише точністю вхідних даних, повнотою, ступенем обґрунтування величин

– кількість найменувань, видів об’єктів праці (деталей, складальних одиниць)

– приведені витрати після автоматизації та базові для і-го виду об’єктів

– річна програма випуску і-го об’єкта

Автоматизація дає економічний і соціальний ефект. Приведені витрати для і-го об’єкта

– собівартість виготовлення і-го об’єкта

– додаткові капітальні вкладення за і-тим варіантом рішення

– нормативний коефіцієнт ефективності капіталовкладень

Соціальний ефект пояснюється соціальним значенням автоматизації. Соціальний ефект оцінюється на основі експертних досліджень, тобто

– галузевий коефіцієнт. Залежно від галузі значення цього коефіцієнту змінюється.

Термін окупності додаткових витрат

Термін окупності має бути мінімальним і не перевищувати 3–5 років. Також термін окупності має бути меншим за час випуску продукції.

3 Продуктивність обладнання автоматизованого виробництва

Будь-який технологічний процес полягає в здійсненні певної взаємодії предмету праці та знаряддя праці. Знаряддя праці – інструмент або робоче середовище (газове, хімічне). Технологічний процес автоматизованого виробництва відрізняється від процесів неавтоматизованого виробництва. Не будь-який технологічний процес піддається автоматизації. За складністю здійснення автоматизації технологічні процеси поділяються на 2 класи:

- процеси для здійснення яких необхідно обов’язкова точка орієнтації виробу відносно робочого інструменту. А характер відносного руху предмету праці підкоряється суворій математичній залежності. До цього класу належить велика частина процесів механічної обробки, обробки тиском, технологічні процеси складання. Автоматизація цих процесів найбільш важка

- процеси для здійснення яких не потрібна орієнтація виробів відносно робочих інструментів, а робочий інструмент являє собою активне робоче середовище (миття, сушіння, термічна обробка, фарбування деталей методом занурення в галтувальний барабан, травлення). При виконанні цих процесів заготовки займають таке положення, щоб вона проходила через оброблюване середовище. Зв’язок кінематичних рухів заготовки і оброблюваного середовища не потрібен або він може бути не точним. Автоматизація таких процесів найбільш проста.

Виділяють проміжний клас процесів – коли заготовка, об’єкт виробництва повинні займати визначене положення, а робочим елементом було активне середовище (фарбування в електростатичному полі, місцеве гальванопокриття, місцеве напилення). Автоматизація нескладна.

Для кількісної оцінки і порівняння за продуктивністю технологічних процесів служить технологічна норма часу, але з так званою автоматизацією виробництва технічна норма часу відрізняється від інших. Всі переміщення робочих органів поділяються на 2 види:

- робочі ходи

- неробочі (допоміжні, холості) ходи.

Під час здійснення робочих ходів йде безпосередня дія на предмет праці, при цьому змінюється його стан. В процесі виконання допоміжних ходів (завантаження, розвантаження заготовок, зміна напрямку обертання, підвід, відвід інструменту). Обробка кожної заготовки потребує комплексу робочих і допоміжних ходів. Час виконання називається часом циклу роботи машини.

Час робочого ходу дорівнює часу основної операції. Допоміжний час дорівнює часу виконання допоміжних процесів. Якщо в автоматизованої машини , то , така машина називається ідеальною. Продуктивність такої машини

Циклова продуктивність стоїть поряд з технологічною продуктивністю (рисунок 3.1). Технологічна продуктивність – продуктивність ідеальної автоматизованої системи, в якій відсутні витрати часу на допоміжні і холості ходи.

Рисунок 3.1 – Циклова та технологічна продуктивність

На рисунку 3.1 показані робочі ходи і пов’язані з ними підготовка робочих ходів. Час допоміжних ходів різний, бо виготовляються деталі (або ж обробляються поверхні) різної номенклатури. На певний проміжок часу виробили фактичну кількість виробів. Машина простоює через різні витрати часу. Витрати часу поділяють на 6 видів:

- витрати через холості ходи. Ці витрати часу включають в себе витрати на подачу матеріалів, транспортування об’єкту з позиції на позицію, фіксація заготовок, підвід, відвід робочих органів, перемикання окремих механізмів. Ці витрати називаються цикловими витратами часу, так як вони є в процесі виконання кожного циклу обробки. Проте ці витрати можуть бути наближені до випадкових, якщо витрати часу проводяться в межах однієї обробки, якщо багато оброблювана операція, то витрати могли б бути поза цикловими.

- витрати через інструмент (заміна, встановлення і регулювання інструменту, очікування наладчика, ходіння за інструментом, часткове заточування інструменту, правка)

- витирати через обладнання. Машина непрацездатна через непрацездатність механізмів і пристроїв. Потрібен ремонт і регулювання машини, очікування ремонтного майстра, отримання запасних частин, очікування виготовлення запасних частин

- з організаційних причин, коли механізми, пристрої, інструменти і машина працездатні, але непрацездатність виявляється через зовнішні чинники. Періодична підготовка матеріалів, прибирання відходів, здача деталей і отримання заготовок, переговори по роботі, здача зміни, відсутність матеріалу, робітника на робочому місці

- через брак, коли машина формально працює і видає продукцію, яка не відповідає технічним вимогам. Втрати через брак виробів, при налагодженні машини через порушення порядку налагодження. Брак який з’явився через появу браку на попередніх операціях, внаслідок браку вихідних заготовок.

- через переналагодження, коли машина може бути налагоджена на одну обробку, а переналагодження виробів на виробництво виробів іншої номенклатури потребує зміни оснащення, кінематичне настроювання, зміну програми і таке інше.

Найбільшу частину витрат часу складає простій через недостатню надійність механізмів машини, далі йдуть витрати на регулювання і підналагодження, тому про ці витрати потрібно мати уявлення і враховувати їх. Поза циклові витрати є величиною випадковою. Циклові теж носять характер випадкових величин, але їх також можна віднести до систематичних. Проте поле розсіювання їх витрат на різних вимогах по точності низьке.

За безперервністю технологічні процеси поділяються на 3 класи:

- процеси, які виконуються на машинах дискретної дії.

Під час виконання операції вони переривають свою роботу через необхідність допоміжних рухів, встановлення заготовок. Це здійснюється на автоматах і напівавтоматах, які є машинами дискретної дії. Продуктивність обладнання дискретної дії

Для підвищення продуктивності необхідно зменшувати час робочих і допоміжних ходів і зменшувати час поза циклових витрат. Скорочення часу робочих ходів здійснюється за рахунок зменшення основного часу обробки. Скорочення часу допоміжних ходів можливе за рахунок раціональної побудови робочого циклу, що можливе при здійсненні допоміжних рухів на великій швидкості, суміщення в часі допоміжних рухів. Скорочення поза циклових витрат може здійснюватись за рахунок конструктивних, технологічних, організаційних заходів. Застосування швидкозмінних інструментів, блоків, які налагоджуються поза верстатом, поліпшення конструкції регулювальних пристроїв. Поліпшення організації робочого місця. Використання комбінованих конструкцій, поворотних головок.

На обладнанні дискретної дії досягається найвища точність обробки, бо вони жорсткі і мають високу геометричну точність.

- процеси, які виконуються на обладнанні безперервної дії

Ці процеси характеризуються тим, що вироби виготовляються безперервно. Технологічний процес проходить без зупинки обладнання. Це може бути волочіння дроту, прутків, прокатування прокату, поперечно – гвинтове прокатування, миття деталей на конвеєрних установках, сушіння, фарбування на підвішеному конвеєрі в електростатичному полі, нагрівання деталей в печах або проходження індукційними струмами високої частоти, піско- і дрібострумінна обробка заготовок. Карусельно – фрезерна обробка, без центрове наскрізне шліфування, конвеєрне протягування.

Рисунок 3.2 – Схема конвеєрного протягування

На рисунку 3.2 зображено конвеєрне протягування. Також різновидом такого обладнання може бути мітчик з відігнутим хвостовиком. На мітчик подається гайка, мітчик її захоплює і натягує на себе гайку. Після нарізання різі гайка виштовхується своїми наступниками. Продуктивність обладнання такого виду

– швидкість технологічного руху в м/хв.

– довжина заготовки в напрямку руху, м

– відстань між виробами в тому ж напрямку, м.

- процеси квазібезперервного типу.

Виконується на автоматизованому обладнання роторного типу і характеризується тим, що вироби в процесі обробки чи складання рухаються від завантажувальної позиції до позиції знімання. Поєднуються функції транспортування і зміни стану предмету праці.

Рисунок 3.3 – Схема обробки поршня

На рисунку 3.3 показано обробку поршня. Барабани знаходяться з одного боку і з іншого. В барабанах знаходяться силові головки в яких закріплені свердла. А затискний поршень подається, йде подача на свердління отворів на куті a. В зоні a йде швидкий відвід з зони обробки. Поршень знімається і подається на наступну операцію.

Продуктивність

– швидкість транспортного руху.

Найнижчу точність мають квазі безперервні машини, а найвища у машин дискретної дії. Найбільше впливає на складність робочих і допоміжних рухів, тому доцільно використовувати машини, в яких траєкторія рухів пряма.

4 Технологічна надійність автоматичних систем

4.1 Загальні положення

Надійність – властивість системи зберігати значення встановлених параметрів функціонування у визначених межах, які відповідають заданим режимним умовам використання і технологічності обладнання. Проблема високої надійності є основною проблемою науково – технічного прогресу. Надійність є першочерговою умовою при виготовленні деталей таких галузей як атомна енергетика, авіація, зброя, машини, транспорт.

Надійність – комплекс властивостей, які може включати безвідмовність, стабільність роботи. Технологічна надійність – властивість автоматизованої оброблюваної системи зберігати в часі початкову точність та відповідну якість обробки чи складання. Надійність автоматизованих систем залежить від багатьох чинників:

- конструкторських

- технологічних

- експлуатаційних

- від надійності механізмів верстатів, завантажувальних, транспорту­валь­них пристроїв, від елементів автоматики та електроніки, від системи автоматичного керування, стійкості робочого інструменту тощо.

Працездатністю називається такий стан автоматизованої системи, коли вона здатна виконувати задані функції, випуск програмної продукції, яка відповідає технічним вимогам. Непрацездатність – неспроможність виконання однієї або декількох функцій. Порушення працездатності може наступити одразу або поступово. Розрізняють відмови складових і відмови параметрів.

Відмови складових спостерігаються, коли є непрацездатність конструктивних елементів, робочий цикл не виконується, продукція не випускається. Це функціональні відмови і відмови параметричні – всі елементи працюють, робочий цикл виконується, проте випускається бракована продукція.

Чинники, які викликають відмову:

- циклічні

- монотонні.

Циклічні чинники – чинники, які з’являються в кожному інтервалі з моменту початку інтервалу. Монотонні - з’являються поступово, з часом в процесі роботи машини.

Циклічні:

- несталість вихідного матеріалу, їх геометричних розмірів, форми, твердості, фізико – хімічних властивостей тощо

- похибка виготовлення та складання окремих конструктивних елементів

- несталість швидкості та руху виконавчих поверхонь механізмів

- коливання температури та тиску робочих рідин і газів

- температура навколишнього середовища, неоднакова жорсткість вузлів, ланок, сил тертя, різання. Нестабільність положення заготовок в процесі транспортування і обробки.

Монотонні:

- спрацювання механізмів та з’єднань

- зменшення міцності деталей з часом

- корозія поверхонь, забруднення робочої зони, зміна геометричної форми деталей системи, їх жолоблення, деформація. Несталість призводить до того, що коли є сприятливе поєднання чинників буде відбуватися робота, а при несприятливому поєднанні йде відмова параметрів і елементів системи – внаслідок чого виникає потреба у втручанні робітника в систему для відновлення її працездатності.

4.2 Критерії надійності

В теорії надійності є ряд критеріїв надійності автоматизованої системи:

- ймовірність безвідмовної роботи впродовж заданого часу

- інтенсивність відмов

- середній час безвідмовної роботи

Імовірність безвідмовної роботи на протязі заданого часу визначається як

Якщо , то періодично.

Рисунок 4.1 – Безвідмовна робота на протязі часу