71327

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Лекция

Производство и промышленные технологии

В начале нашей эры Герон Александрийский в работах «Пневматика» и «Механика» привел описание автоматов, которые он создал: пневматический автомат для открывания дверей храма и зажигания жертвенного огня; водяной орган; прибор для автоматического измерения длины дороги, напоминающий таксометр...

Русский

2014-11-05

88 KB

1 чел.

Лекция 1. Введение.

В Древней Греции появилось слово аутоматос (самодействующий), от которого произошло название области науки и техники об автоматических (самодействующих) устройствах - автоматика.

Безусловно, автоматизации любого процесса обычно предшествует его механизация.

Еще в древнем Египте применялись устройства для перекачки воды из каналов в оросительную систему полей в виде деревянного пустотелого колеса и равномерно расположенных по периметру ковшей. Ветряные и водяные мельницы также являются примером механических устройств, имеющих практическое применение с древних времен.

Идея создания устройств, которые работали бы без участия человека (автоматических), возникла еще в глубокой древности.

Но в основном практического значения первые автоматические устройства не имели. Их использовали исключительно для религиозных обрядов или развлечения.

В начале нашей эры Герон Александрийский в работах «Пневматика» и «Механика» привел описание автоматов, которые он создал: пневматический автомат для открывания дверей храма и зажигания жертвенного огня; водяной орган; прибор для автоматического измерения длины дороги, напоминающий таксометр; автомат для продажи «священной» воды; механический театр кукол.

В средние века в Европе создаются автоматы, подражающие определенным действиям человека. В XIII в. немецкий философ Альберт фон Больштадт построил «железного человека»- механизм для открывания и закрывания дверей. В XVIII в. швейцарские часовщики Пьер Дро и его сын Анри создали механического писца, выводившего гусиным пером фразы на бумаге; механического художника, рисовавшего фигурки людей; механическую пианистку, исполнявшую на фисгармонии музыкальную пьесу. В XVIII в. русский механик И. П. Кулибин создал «театр автоматов», помещенный в часах величиной с яйцо. Каждый час в корпусе часов распахивались дверцы и можно было увидеть движущиеся под музыку фигурки.

История развития автоматических устройств промышленного назначения начинается с XVII в. Первые промышленные автоматические устройства появились в связи с изобретением и развитием паровых машин и турбин.

Чтобы использовать паровые машины в промышленности, необходимо было оснастить их автоматическими устройствами, это в первую очередь автоматический парораспределительный механизм, регулятор уровня воды в котле, регулятор частоты вращения вала машины и т. д.

Простой пример: если увеличение нагрузки на валу парового двигателя вызывает только снижение числа оборотов, то при резком сбросе нагрузки, например из-за обрыва приводного ремня, двигатель резко увеличивал число оборотов вала, шел в разнос, что в конечном счете приводило к тяжелым авариям.

В связи с этим в 1765 г И. И. Ползунов сконструировал и изготовил первый в мире автоматический регулятор для поддержания уровня воды в паровом котле. Через 20 лет Джеймс Уатт создает автоматический регулятор частоты вращения вала паровой машины.

С увеличением скорости вращения вала его подпружиненные шарики расходятся и через механическую тягу закрывают паровой клапан, уменьшая скорость вращения. Вторым достижением в сфере автоматизации по его исторической значимости можно назвать Жаккардовский ткацкий станок. Он позволял автоматически изготавливать полотна, составленные из нитей разного цвета по заданной программе.

Начиная со второй половины XIX в промышленности начала использоваться электроэнергия. Электрические автоматические устройства начинают разрабатываться и использоваться в различных областях техники. Одним из первых электрических автоматических устройств был электромагнитный регулятор частоты вращения вала паровой машины, разработанный в 1854 г. К. И. Константиновым.

Все эти автоматические системы разрабатывались на основе интуиции, методом проб и ошибок.

Основы научного подхода к проектированию автоматических регуляторов были заложены профессором Петербургского технологического института И. А. Вышеградским, монография которого «Об общей теории регуляторов», изданная в 1876 г, положила начало теории автоматического управления и регулирования.

В тот же период словацкий профессор А. Стодола исследовал устойчивость регулирования гидравлических и паровых турбин, а немецкий математик А. Гурвиц решил общую задачу о критерии устойчивости линейных систем автоматического регулирования.

В 40-е годы прошлого века развитие общей теории автоматического управления связано с фамилиями П. Л. Чебышева, М. В. Ляпунова, Н. Е. Жуковского.

То, что автоматические устройства и системы могут заменять человека в технологических процессах, натолкнуло ученых на мысль, что процессы управления и связи, протекающие в живых организмах и автоматических системах, имеют аналогию друг с другом, таким образом можно попытаться установить некоторые общие законы, справедливые как для тех, так и для других.

Первым это сделал профессор Массачузетского института Норберт Винер в книге «Кибернетика или управление и связь в животном и машине» (1948 г.). Книга эта положила начало развитию новой науке - кибернетике.

Аналогия между мозгом и вычислительными машинами позволила применять вычислительные машины для автоматического управления технологическими процессами. Появились самонастраивающиеся и самосовершенствующиеся автоматические устройства, а теория автоматического управления стала рассматриваться как раздел кибернетики, изучающей процессы управления и связи в объектах неживой природы.

В настоящее время развитие сложных систем управления технологическими процессами осуществляется с использованием методов и технологий искусственного интеллекта, начавших развиваться с начала 90-х годов прошлого века. Методы и технологии ИИ используют такие понятия, как искусственные нейронные сети, теория нечетких множеств и нечеткая логика, генетические и эволюционные алгоритмы ит.д.

Исторически первой работой, заложившей теоретический фундамент для создания искусственных моделей нейронов и нейронных сетей, принято считать опубликованную в 1943 г. статью нейрофизиологов Уоррена Маккаллока и Вальтера Питтса "Логическое исчисления идей, относящихся к нервной активности".

В 1949 г. - опубликована книга Дональда Хебба (Donald Hebb) "Организация поведения", где исследована проблематика настройки синаптических связей между нейронами.

Практический фундамент под эти работы заложить в то время было невозможно – не было соответствующих средств вычислительной техники.

Развитие электроники и вычислительной техники, в том числе появление микроЭВМ с высокими вычислительными ресурсами, привело к возрождению интереса к ИИ. В 1982 г. Джон Хопфилд (John Hopfield) представил статью в национальную Академию Наук США. О возможности моделирования нейронных сетей на принципе новой архитектуры.

Это положило начало реализации таких трудноформализуемых задач систем управления, как распознавание образов и классификация, принятие решений и управление, прогнозирование, кластеризация, аппроксимация и сжатие данных и ассоциативная память и т.д.

В настоящее время под термином «автоматизация» понимается такая операция производственного процесса, в которой все действия, необходимые для ее выполнения происходят без непосредственного участия человека. Человек только налаживает устройства и контролирует их работу.

Развитие средств автоматизации в производстве прошло ряд этапов, наиболее характерные из которых:

- создание механизмов и устройств, облегчающих или устраняющих ручной труд на основных операциях - этап механизации производства этап механизации производства;

- создание установок и систем, полностью или частично освобождающих человека от регулирования и управления основными процессами, механизация и частичная автоматизация вспомогательных операций транспортировки и манипулирования - этап автоматизации производства;

- создание оборудования и систем, исключающих участие человека в управлении и регулировании процессов всех системах производства и обслуживания - этап комплексной автоматизации.

В середине прошлого века автоматизация получила наиболее широкое распространение в массовом и крупносерийном производстве. Автоматическое оборудование работало по принципу жесткого управления, в этом смысле оно

было практически не перестраиваемым на другой вид продукции.

С развитием производства рынок продукции предъявлял все более жесткие требования к ассортименту и номенклатуре выпускаемых изделий. Ассортимент выпускаемых изделий постоянно увеличивался, при этом сами изделия достаточно быстро морально старели. Производства основных видов продукции становилось средне- и мелкосерийным. В этих условиях автоматизация с использованием автоматического оборудования, работающего по принципу жесткого управления становилась все более неэффективной.

Это объясняется прежде всего тем, что при достаточно частой смене изделий в мелкосерийном производстве необходимо было менять и автоматическое оборудование, работающее по принципу жесткого управления. Но стоимость такого технологического оборудования достаточно высокая (срок окупаемости средней автоматической линии не менее 10 лет).

С появлением программно управляемого оборудования автоматизация производства начала все шире использоваться и в среднесерийном и мелкосерийном производствах. Появление мини-ЭВМ и микропроцессоров, появление промышленных роботов и манипуляторов сделали возможным создания гибких автоматизированных комплексов.

Основные понятия и определения.

Под механизацией технологических процессов понимают применение различных форм энергии в технологическом процессе, осуществляемое в целях сокращения трудовых затрат, улучшения условий производства, повышения объема выпуска и качества продукции.

Как видно, механизация позволяет заменить труд человека машинным в наиболее энергоемкой части технологического процесса, где непосредственно изменяется форма, размеры, шероховатость поверхности, физико-механическое состояние поверхности и т.д. При этом сохраняется непосредственное участие человека в управлении технологическим оборудованием и контроле.

Под автоматизацией технологических процессов понимают осуществление хода технологического процесса без непосредственного участия человека. Функции человека - устранение отклонений от заданного процесса (подналадка), наладка автоматизированной технологического оборудования на обработку другого изделия.

В ГОСТах Единой системы технологической подготовки производства предусматривается качественная и количественная оценка состояния механизации и автоматизации технологических процессов. Качественную оценку производят по трем  показателям: виду, степени и категории.

По виду различают частичную, полную, единичную, комплексную, вторичную механизацию и автоматизацию.

Под частичной механизацией или автоматизацией понимают механизацию или автоматизацию технологических процессов, при которой часть операций требует участия человека.

Под полной механизацией или автоматизацией понимают механизацию или автоматизацию технологических процессов, при которой все полностью не требуется участие человека.

Под единичной механизацией или автоматизацией понимают частичную или полную механизацию или автоматизацию одной части технологического процесса. Например, в токарной операции механизирована или автоматизирована загрузка или разгрузка деталей; автоматизирована одна из пяти операций обработки деталей и т. п.

Под комплексной механизацией или автоматизацией понимают частичную или полную механизацию или автоматизацию двух или более первичных составных частей технологического процесса.

В случае механизации или автоматизации всех без исключения первичных составных частей технологического процесса получают полнокомплексную механизацию и автоматизацию. Например, все пять операций технологического процесса механизированы или автоматизированы.

По ГОСТу приняты следующие обозначения:

М - единичная механизация; А - единичная автоматизация; КМ - комплексная механизация; КА - комплексная автоматизация.

Степень внедрения М или А по ГОСТу обозначается цифрами от 1 до 10: 1 :—единичная технологическая операция; 2— законченный техпроцесс; 3 — система технологических процессов, выполняемых на производственном участке (отделении); 4 — система технологических процессов, выполняемых в пределах цеха (в системе участков); 5 — система технологических процессов, выполняемых в пределах группы технологически однородных цехов; 6 — система технологических процессов, выполненных в пределах предприятия (в системе групп цехов); 7 — система технологических процессов, выполняемых в пределах производственных фирм или научно-производственных объединений (в системе отдельных предприятий); 8 — система технологических процессов, выполняемых в пределах территориально-экономического региона (в системе отдельных фирм объединений); 9 — система технологических процессов, выполняемых в пределах отрасли промышленности (в системе регионов); 10 — система технологических процессов, выполняемых на уровне промышленности всей страны (в системе отраслей).

Что касается категории механизации и автоматизации, то этот показатель тесно связан с понятием коэффициент механизации.

В машиностроении в массовом производстве широко используют полуавтоматы и автоматы. Они различаются степенью автоматизации.

У полуавтоматов и автоматов, как у любого технологического оборудования для механообработки различают рабочие и холостые ходы.

При рабочих ходах движение частей машины приводит к непосредственной обработке, например снятию стружки, накатыванию поверхности и т. п.

Холостые ходы служит для подачи, установки и закрепления заготовки, для подвода и отвода обрабатывающего инструмента, раскрепления и снятия готовой детали, переключения скоростей и подач, включения и выключения станка и д.

В полуавтоматах цикл работы технологического оборудования автоматизирован не полностью, т. е. полностью автоматизированы только рабочие ходы. Холостые ходы и вспомогательные операции (загрузка и закрепление новой заготовки, включение подачи станка и т.д.) как правило, автоматизированы только частично.

В большинстве серийно выпускающихся автоматах все рабочие и вспомогательные переходы и ходы осуществляются без участия рабочего.

Отношение машинного времени к общему времени выполнения операции процесса называют коэффициентом механизации.

Чем выше коэффициент механизации, тем меньшее участие человек принимает в технологическом процессе.

К = Тм /( Тм + Тр) = Тм / Тш                                    (1)

где Тм — машинное время. В него входит время рабочих и холостых ходов (например, быстрый подвод инструмента к детали (вспомогательный ход) или подача прутка в рабочую зону и его закрепление (вспомогательные переходы)). Чем меньше времени затрачивается на вспомогательные ходы и переходы, тем больше производительность станка; Тр - ручное время, т. е. часть времени, в течение которого рабочий выполняет вспомогательные операции и другие работы.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ.

На действующих предприятиях не всегда технологические процессы в целом как и отдельные операции механизированы и автоматизированы. При проектировании процессов изготовления деталей возникают вопросы — создавать ли процессы механизированные, автоматизированные или технически и экономически выгоднее в конкретных условиях производить изделия без механизации и автоматизации. Рассмотрим, каковы условия вызывают необходимость в механизации и автоматизации оборудования машиностроительного производства.

. Условия, вызывающие необходимость в механизации и автоматизации

Механизация и автоматизация создают предпосылки для повышения производительности труда рабочих и оборудования, улучшения качества изделий, их надежности и долговечности, обеспечивают безопасность работ, но требуют дополнительных капиталовложений на их внедрение. Поэтому не всегда разработанные процессы М и А конструкции автоматических устройств могут обеспечить экономическую целесообразность замены ими труда рабочего.

Механизацию и автоматизацию внедряют в производственные процессы в следующих случаях:

  1.  Когда без М и А имеется угроза для жизни рабочего (например, работа с радиоактивными элементами, измерение температуры деталей в шахтной печи и др.).
  2.  Когда обеспечивается экономический эффект за счет повышения производительности труда и оборудования, улучшения качества, снижения брака и, следовательно, расхода основных материалов и других затрат, сокращения расхода энергии и вспомогательных материалов, уменьшения расходов на содержание здании и сооружений, уменьшения площади, занятой автоматами.
  3.  Замена тяжелого монотонного физического труда.

Расчет экономии, полученной от внедрения М и А. сопоставляют технологической себестоимостью изделия, полученные при работе на универсальном оборудовании. Аналогично определяют экономию за счет улучшения качества, сортности и снижения брака.

Расчет окупаемости капиталовложений. Затраты на М И А должны окупиться в самые сжатые сроки. По нормативам эти роки находятся в пределах 1—2 лет для единичных операций и до б лет для комплексной автоматизации (автоматические, линии).

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

Производительность труда в машиностроительном производстве зависит от многих факторов. В пределах предприятия можно указать на три главных вида мероприятий, влияющих на возможность повышения производительности труда: 1) конструкторские; 2) организационные; 3) технологические.

Конструкторские мероприятия

Конструкторские мероприятия связаны с созданием технологичной конструкции изделия в целом и его отдельных элементов.

По области проявления свойств технологичности конструкции изделия различают производственную и эксплуатационную технологичность конструкции.

Производственная технологичность конструкции проявляется в сокращении затрат времени на конструкторскую и технологическую подготовки производства и процессы изготовления изделия.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия проявляется в сокращении затрат средств и времени на техническое обслуживание и ремонт изделия.

Стандартизация и унификация составных частей изделия (сборочных единиц и деталей), а также элементов частей изделия: применение стандартных и унифицированных частей изделия сокращает время на проектирование, позволяет использовать опыт, полученный при освоении ранее разработанных конструкций изделия, а также создает предпосылки для централизованного производства этих частей.

Применение стандартизированных и унифицированных частей изделия уменьшает количество разнообразных конструкций сборочных единиц и деталей в одном изделии и гамме изделий предприятия и отрасли, позволяет использовать конструкции, отработанные на технологичность и освоенные в производстве. Такие части можно изготавливать серийно, их можно поставлять другим предприятиям отрасли. При производстве таких частей возможно применять одни и те же станки и высокопроизводительную технологическую оснастку с одинаковой наладкой.

Унификация материалов деталей. Применение ограниченного количества различных материалов упрощает процесс материально-технического снабжения, складирования, перемещения и изготовления деталей. При обработке деталей из одного и того же материала не требуется изменять режимы обработки так часто, как при обработке деталей из разных материалов.

Унификация элементов конструкции деталей. Конструктивные элементы детали в виде тел вращения и плоскостей легко обрабатывают на металлорежущих станках. Труднее обрабатывать другие виды поверхностей. Желательно, чтобы поверхности были параллельны или перпендикулярны обрабатывающему инструменту. Наличие у детали поверхностей с идентичными размерами, квалитетами и шероховатостью, с одинаковыми резьбовыми, шлицевыми и зубчатыми поверхностями, радиусами сопряжения и другими элементами позволяет обрабатывать детали одними и теми же инструментами, на одних и тех же станках, с одними и теми же наладками и режимами обработки. Таким образом не расходуется время на замену инструментов и переналадку станков, т. е. повышается производительность.

Возможность применения типовых технологических процессов обработки изделий. Однотипные составные части изделия дают возможность обрабатывать их по одним и тем же процессам, при этом повышается серийность производства, создающая условия для внедрения прогрессивных технологических процессов, повышения уровня их М и А, сокращения сроков изготовления, обслуживания и ремонта изделий.

Классификация систем управления

Совокупность управляемого объекта (станка) и автоматических устройств управления (комплекс средств сбора, обработки, передачи информации и формирование управляющих команд), действия которых направлены на поддержание или улучшение работы объекта (станка), называют системой автоматического управления (САУ).

Системы автоматического управления должны обеспечивать точное исполнение команд по перемещению рабочих органов станка (в пределах микрометра), синхронное перемещение рабочих органов в различных циклах, быстроту передачи и исполнение команд, возможность исполнения большого количества команд (переключение подач и частоты оборотов шпинделя, включение продольных и поперечных подач, повороты револьверной головки и др.).

Система автоматического управления должна обеспечить требуемую точность обработки, низкую себестоимость обработки детали.

Системы автоматического управления различают по степени централизации управления, методу воздействия, наличию обратной связи, принципу синхронизации движений рабочих органов, числу управляемых координат и другим факторам.

Степень централизации.

По степени централизации различают централизованную, децентрализованную и смешанную системы

Централизованная система. Имеет центральный командоаппарат, управляющий работой автомата или автоматической линии. Эта система проста и надежна в работе.

Децентрализованная система. Управление осуществляется отдельными устройствами станка, станками или линией. Это управление производится различными датчиками, связанными с конкретным устройством. Часто этим датчиком являются путевые переключатели и выключатели (потому ее иногда называют путевой системой), которые включаются или выключаются движущимися частями станка или автоматической линии (упорами). Все исполнительные органы связаны с системой выключателей таким образом, что последующее действие рабочего органа может осуществляться только по окончании предыдущего.

Смешанная система управления. Это комбинация централизованной и децентрализованной систем. Некоторыми элементами цикла управляют децентрализовано, а остальными — от центрального командного устройства.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46109. Анализ условий нормального речевого развития ребенка. Этапы нормального речевого онтогенеза 17.5 KB
  Речь ребенка формируется под влиянием речи взрослого и в огромной степени зависит от достаточной речевой практики от нормального окружения и от воспитания и обучения которое начинается с первых дней его жизни. Этапы становления речи детей Леонтьев. В это же время путем подражания ребенок постепенно перенимает элементы звучащей речи.Преддошкольный от 1года до 3 лет Характеристика: этап становления активной речи.
46110. Теоретические основы логопсихологии. Психологическая характеристика детей с нарушениями речи 20.5 KB
  Психологическая характеристика детей с нарушениями речи. Объект – психика лиц с патологией речи. Психологическая характеристика детей с нарушениями речи. Ранний возраст 13 года Этот возраст является сензитивным чувствительным периодом становления речи.
46111. Характеристика педагогических систем воспитания детей с речевыми нарушениями. Проблемы интеграции детей дошкольного возраста с речевыми нарушениями 23.5 KB
  Характеристика педагогических систем воспитания детей с речевыми нарушениями. Проблемы интеграции детей дошкольного возраста с речевыми нарушениями.подготовка к обучению грамоте и овладение элементами грамоты Системы логопедического и педагогического обследования детей дошкольного возраста с речевыми нарушениями В целом проводится комплексное психологопедагогическое обследование психолог педагоги логопед Цель: выявить отклонения направить ребенка в соответствующее образовательное учреждение Задачи обследования: 1....
46112. Семейное воспитание детей с нарушениями речи: содержание, формы, и стили семейного воспитания 14 KB
  Семейное воспитание детей с нарушениями речи: содержание формы и стили семейного воспитания. Семья основная на браке или кровном родстве малая группа члены которой связаны общностью быта взаимной моральной ответственностью в ней вырабатываются совокупность нормы и образцов регламентирущих взаимодействий между супругами детьми детей между собой. детоцентрическая – все интересы подчинены ребенку детей формируется высокая самооценка 3.сексуальноэротическая Специфические функции семей имеющих детей с нарушениями в развитии 1.
46113. Принципы, задачи, содержание логоритмического воспитания детей с речевой патологией 26 KB
  Принципы задачи содержание логоритмического воспитания детей с речевой патологией. Принципы ЛР. Общедидактические принципы 1. принцип наглядности Обуславливает широкое взаимодействие показателей всех внешних и внутренних анализаторов.
46114. Коррекционно-образовательное значение литературы в обучении школьников с ТНР 18.5 KB
  Развитие речи в школе Vвида – специальный вид деятельности учителя и учащихся направленных на овладение речью. Vв используется 3 основных подхода к литературному развитию учащихся школы общего назначения: психолингвистический лингводидактический методика преподавания литературы МПЛ 1 психолингвистический подход Достижение наибольшей эффективности работы по развитию речи на уровне литературы способствует применение психолингвистического подхода Психолингвистический термин Речевая деятельность система речевых действий...
46115. Предмет и задачи начального обучения математике детей с речевыми нарушениями 12.5 KB
  Предмет и задачи начального обучения математике детей с речевыми нарушениями. МПМ методика преподавания математике – наука предметом которой является обучение математике на всех уровнях обучения начиная с дошкольного учреждения и заканчивая высшей школой. объект содержание методы средства Обучение математике решает развивающие образовательные воспитательные задачи: 1 образовательные : Ученики должны получить знания умения: представления о натуральном числе и числе 0.
46116. Лингвистические и психологические основы методики развития речи детей. Задачи, принципы и направления работы по развитию речи 13.5 KB
  Лингвистические и психологические основы методики развития речи детей. Задачи принципы и направления работы по развитию речи. деятельности по формированию речи у детей дошкольного возраста. Задачи работы по развитию речи направления работы : Воспитание ЗКР.
46117. Значение изобразительной деятельности в воспитании детей и коррекции у них речевых нарушений 14 KB
  Включение речи в познавательные процессы восприятие представление воображение без которых не может развиваться изобразительная деятельность оказывает положительное влияние на развитие личности ребенка. В свою очередь хорошо организованные занятия рисованием представляют сильное средство развития речи.Развитие речи в процессе изобразительной деятельности осуществляется в нескольких направлениях: вопервых происходит обогащение словаря вовторых осуществляется становление и развитие речи как средства общения втретьих совершенствуется...