А.Н. Трусова Автоматизация технологических процессов и производств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра информационных и автоматизированных производственных систем

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения специальности 210200 "Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)" (сокращенные сроки обучения)

Составитель А. Н. Трусов

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 4 от 26.11.02

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 210200 Протокол № 83 от 05.12.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

КЕМЕРОВО 2003

1

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Курс "Автоматизация технологических процессов и производств" (АТПиП) изучается в течение 6 семестра. По учебному плану для студентов заочной формы обучения по курсу АТПиП предусмотрено 30 часов лекций, 10 часов практических занятий, выполнение одной контрольной работы. Всего на изучение курса с учетом самостоятельной работы отводится 140 часов. Завершается изучение курса экзаменом.

2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

2.1. Цель преподавания дисциплины

Цель преподавания дисциплины состоит в изучении теоретического аппарата проектирования и эксплуатации автоматизированных технологических процессов (АТП) изготовления изделий машиностроения в условиях массового, серийного и мелкосерийного производств, а также в обучении методам автоматического управления АТП.

2.2.Задачи изучения дисциплины

Врезультате изучения дисциплины студенты должны знать:

-основные цели, задачи и перспективы автоматизации машиностроения;

-закономерности построения АТП;

-методологию системного решения задач автоматизации;

-методы и средства автоматизации.

Студенты должны уметь:

- разрабатывать АТП изготовления изделий машиностроения в пределах производственных участков при проектировании новых и реконструкции действующих производств, в том числе формулировать задачи автоматизации, выбирать методы и средства автоматизации;

2

- обосновывать требования к технологическим процессам, к технологичности конструкции изделия, к разрабатываемому оборудованию и оснастке, к средствам автоматизации.

2.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данного курса

"Автоматизация технологических процессов и производств" относится к завершающим обучение курсам и для своего изучения требует знаний по следующим дисциплинам: "Информатика", "Основы робототехники", "Компьютерная имитация и анимация", "Основы мехатроники", "CAD/CAM системы в машиностроении", "Прикладная механика", "Электротехника и электроника", "Общая электротехника и электроника", " Теория автоматического управления", "Метрология, стандартизация и сертификация", "Организация и планирование производства", "Моделирование систем", "Механика ПР", "Электропривод", "Технологические процессы и производства", "Технические измерения и приборы", "Технические средства автоматизации", "Проектирование систем управления", "Основы технологии машиностроения", "Оборудование автоматизированных производств", "Процессы формообразования и инструментальное обеспечение автоматизированного производства", "Проектирование автоматизированных технологических процессов", "Технологическая оснастка и устройства автоматизированного производства".

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

3.1. Введение

Место, значение и содержание курса. Этапы развития автоматизации машиностроения. Перспективные направления автоматизации. Термины и определения в области автоматизации производства. Качественные и количественные оценки уровня механизации и автоматизации производства.

3

Литература: [1, с. 3-7; 3, с. 5-9; 9; 10; 12, с. 8-17].

Методические указания

Вэтом разделе необходимо обратить внимание на место, значение

иобщее содержание курса. Комплексно-автоматизированные и механизированные производства рассматриваются сейчас как основная форма для всех типов машиностроительного производства. Отсюда вытекают новые требования к знаниям и умениям современного технолога машиностроения.

Также необходимо рассмотреть основные этапы автоматизации машиностроения, направления автоматизации для различных типов производств, терминологию в области автоматизации. Качественная и количественная оценки уровня механизации и автоматизации производственных процессов регламентируются ГОСТ [9].

Контрольные вопросы

1.Дайте определение терминам "АПП", "ГПС", "Автоматическая

линия".

2.Что должен знать технолог – специалист по разработке автоматизированных ТП?

3.Как развитие противоречия "гибкость - производительность" влияло на развитие автоматизации в машиностроении?

4.Появление каких факторов можно считать определяющим для автоматизации серийного производства?

5.Объясните качественную систему оценки состояния механизации и автоматизации производственных процессов.

3.2.Целевые механизмы АПП (ЦМ)

3.2.1.Классификация ЦМ

Классификация ЦМ по целевому признаку. Целевые механизмы рабочих ходов, холостых ходов, управления. Особенности расчета ЦМ холостых ходов (ЦМХХ).

4

3.2.2.Транспортные механизмы

Транспортные механизмы для автоматических линий (АЛ) с жесткой и гибкой межагрегатными связями. Характеристика, особенности конструкции и эксплуатации транспортных механизмов: шаговых транспортеров, транспортеров-подъемников, транспортеровраспределителей, лотковых систем, отводящих транспортеров.

3.2.3.Механизмы питания

Общая характеристика механизмов питания.

Магазинные загрузочные устройства. Конструкции, состав. Расчет на производительность и незаклинивание. Бункерные загрузочные устройства. Типы бункеров: с возвратно-поступательным движением стержня; карманчиковый; ножевой и пр. Вибрационные бункеры. Конструкции, методика расчета, достоинства и недостатки.

Ориентирование заготовок в вибробункерах. Пассивное и активное ориентирование. Ключи ориентации. Конструкции ориентаторов. Синтез ориентирующего устройства. Вторичные ориентирующие устройства.

Дополнительные элементы загрузочных устройств: лотки, отделители, питатели, датчики наличия заготовок и пр.

Литература: [1, с. 7-32; 2; 3, с. 226-239, с. 257-260, с. 269-301; 6, с. 87-97, с. 130-210, с. 317-344; 8, с. 198-232].

Методические указания

При рассмотрении классификации ЦМ следует выделить основную роль группы ЦМХХ, зависимость их состава и конструкций от типа АЛ (с жесткой и гибкой межагрегатными связями). Рассмотрите обобщенную структуру ячейки АЛ с гибкой межагрегатной связью, ее достоинства и недостатки. Определите, почему расчет ЦМХХ на производительность является основным.

При изучении транспортных механизмов АЛ подробнее рассмотрите 2-3 конструкции типовых механизмов (например, шаговые транспортеры с собачками, с поворотной штангой и флажками; транспорте- ры-подъемники толкающего и элеваторного типов и т.д.), их достоинства и недостатки.

5

Рассмотрение механизмов питания следует начать с классификации заготовок [2], необходимости их ориентации в пространстве и во времени. В связи с ориентацией механизмы питания делятся на полуавтоматические (магазины) и автоматические (бункеры). Также подробнее рассмотрите 2-3 типовых конструкции, например, магазины – лотковые, штыревые, трубчатые; бункеры – с возвратно-поступательным движением стержня, карманчиковый, ножевой. Уясните состав этих механизмов, принцип действия, как осуществляется ориентация и выдача заготовок, особенности расчета.

При изучении вибрационных бункеров необходимо, кроме особенностей конструкций, рассмотреть схему действия сил на заготовку, режимы работы вибробункера (без отрыва заготовки, с отрывом заготовки), способы управления производительностью бункера.

Изучение ориентирующих устройств начинается с определения их функций, понятия "способ ориентации". Важнейшими понятиями в этой теме также являются: "активное и пассивное ориентирование", "различимое и неразличимое положение заготовки", "ключ ориентации" (используются пять ключей ориентации), "коэффициент выдачи ориентатора", "систематизация потока заготовок". Приведите примеры технической реализации ориентаторов, использующих различные способы ориентации. При рассмотрении вторичных ориентирующих устройств (вне бункера) рассмотрите принцип действия 1-2 устройств, работающих по принципу активного и пассивного ориентирования [2].

Контрольные вопросы

1.Что такое "целевой механизм", "исполнительный механизм"?

2.Особенности расчета ЦМХХ.

3.Поясните конструкции и принципы действия, особенности расчета шаговых транспортеров, транспортеров-подъемников, транспор- теров-распределителей, магазинных загрузочных устройств, бункерных загрузочных устройств.

4.Расчет магазинных загрузочных устройств на производитель-

ность.

5.Расчет магазинных загрузочных устройств на незаклинивание.

6.Основные типы конструкций вибробункеров.

6

7. Схема действия сил, действующих на заготовку в вибробунке-

ре.

8.Определение производительности вибробункера и способы ее регулирования.

9.Дайте определение понятиям "способ ориентации", "различимое положение", "ключ ориентации", "коэффициент выдачи", "систематизированный поток".

10.Приведите примеры технической реализации ориентаторов, использующихся в вибробункере.

11.Приведите примеры вторичных ориентирующих устройств.

3.3.Теория производительности машин (ТПМ)

3.3.1.Общая характеристика ТПМ

Значение ТПМ. Использование математических моделей в ТПМ. Общая характеристика ТПМ.

Основные постулаты ТПМ.

Анализ различных путей повышения производительности.

3.3.2. Инженерные методы расчета экономической эффективности автоматизации производства

Вывод математической модели экономического эффекта от вариационных параметров. Анализ модели. Примеры использования.

3.3.3.Методы расчета производительности

Основные показатели производительности. Два способа учета простоев: с коэффициентом использования, с внецикловыми потерями. Составление моделей производительности машин-автоматов. Получение и анализ моделей: автоматов последовательного действия, автоматов параллельного действия, обрабатывающих центров (ОЦ). Производительность АЛ при различных структурных вариантах. Баланс производительности.

3.3.4. Основы оптимального проектирования автоматических систем машин

Понятие об оптимальном проекте. Терминология. Методика проектирования компоновки АЛ и гибких производственных систем (ГПС)

7

(общая последовательность). Два основных этапа: формирование множества вариантов и отбор оптимального варианта.

Методика оценки целесообразности создания ГПС (с АСУ ГПС).

3.3.5.Элементы теории надежности

Основные термины и определения. Качественные и количественные показатели надежности. Расчет показателей надежности. Методика расчета надежности систем с последовательно - параллельной структурой. Метод свертки структуры.

Литература: [1, с. 32-67; 3, с. 46-68, с. 74-82, с. 83-111, с. 338-349, с. 368-382, с. 383-421; 7].

Методические указания

Данный раздел очень важен, так как ТПМ является научной основой при проектировании автоматических машин и их систем. Основой ТПМ являются математические модели, связывающие технические, технологические, эксплуатационные параметры машин с их экономическими характеристиками. Следует обратить внимание на постулаты ТПМ, на структуру понятия "производительность" как отношения продукции к затратам. Важное место в моделях ТПМ занимают вариационные параметры (коэффициенты) ϕ, σ, ε, δ, характеризующие сравниваемые варианты по отдельным составляющим производительности. Анализ возможных путей автоматизации показывает важнейшее место среди них коэффициента ϕ.

При изучении инженерных методов расчета эффективности автоматизации необходимо рассмотреть вывод модели экономического эф-

фекта Э = f(ϕ, σ, ε, δ), уяснить понятие ϕmin при Э = 0, рассмотреть примеры использования данной модели [7].

При рассмотрении видов и моделей производительности следует хорошо разобраться с классификацией простоев оборудования, методами их расчета (с применением коэффициента использования, с учетом внецикловых потерь). Подробно необходимо рассмотреть вывод и анализ моделей производительности для автоматов последовательного действия, для автоматов параллельного действия, для ОЦ с ЧПУ по интегральным характеристикам обрабатываемых деталей. Далее рассмотреть, как изменяется модель АЛ последовательного действия при раз-

8

личных структурных вариантах АЛ. Следует обратить также особое внимание на построение и анализ баланса производительности машин. При рассмотрении методики оценки целесообразности создания ГПС студенты должны обратить внимание на то, что основным источником эффекта является повышение производительности. Также следует разобраться с методикой поэлементного расчета составляющих в формуле

		QTP				1 + χ
	K АСУ max = K			1	−
		Q				ϕ21	.

При изучении основ оптимального проектирования систем автоматических машин прежде всего следует рассмотреть основные понятия: "оптимальный проект", "целевая функция", "управляющие переменные", "управляемые переменные"и др. Решение задачи оптимального проектирования складывается из решения двух подзадач: формирование множества возможных вариантов; отбор оптимального варианта по заданной целевой функции. Методики решения этих подзадач следует рассмотреть на примере проектирования АЛ и ГПС [21].

Основные термины и показатели надежности объектов рассмотрены в [18], методика расчета надежности систем с нагруженным ресурсом с использованием метода свертки структуры – в [1].

Контрольные вопросы

1.Использование математических моделей в ТПМ.

2.Определите понятия "производительность", "темпы роста производительности".

3.Сравните эффективность различных путей автоматизации (ϕ - путь, σ - путь, ε - путь).

4.Какие задачи могут решаться с использованием модели Э = f(ϕ,

σ, ε, δ)?

5.Какие виды производительности используются в ТПМ?

6.Как определяется фактическая производительность с применением коэффициента использования, с учетом внецикловых потерь?

7.Как меняется модель производительности АЛ при учете ее различных структурных усложнений?

8.Как строится баланс производительности?

9

9.Какие капитальные затраты учитываются в методике оценки целесообразности создания ГПС?

10.Как здесь определяется значение ожидаемого роста производительности?

11.Как можно определить множество возможных вариантов

АЛ, ГПС?

12.Поясните такие показатели надежности, как "вероятность безотказной работы", "частота отказов", "интенсивность отказов".

13.Покажите на примере использование метода свертки струк-

туры.

3.4. Автоматизированные транспортно-складские системы (АТСС)

3.4.1.Компоновки АТСС

Общая характеристика АТСС. Функции АТСС. Варианты компоновки ГПС и АТСС: с совмещенной и раздельными транспортной и складской системами, с замкнутой и разомкнутой траекторией, с одно- и двухсторонним расположением оборудования. Системы инструментообеспечения.

3.4.2.Технические средства АТСС

Классификация технических средств АТСС. Средства складирования: склады, штабелеры, перегрузочные устройства, пристаночные накопители.

Склады. Типы и области их применения. Зоны склада. Грузопотоки. Рекомендации по проектированию.

Транспортные средства. Классификация. Характеристика средств наземного и подвесного транспорта.

Литература: [1, с. 68-82; 11; 12, с. 326-341; 15; 18; 19].

Методические указания

АТСС является важнейшей подсистемой ГПС, во многом определяющей планировку последней. Основные факторы, определяющие отличие транспортно-складских систем в АЛ и ГПС: принцип передачи