Автоматизация производственных процессов в машиностроении. Робототехника, робототехнические комплексы. Практикум

С. И. Рязанов, Ю. В. Псигин





АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНОСТРОЕНИИ
РОБОТОТЕХНИКА, РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

        ПРАКТИКУМ

Учебное пособие


















Москва Вологда
« Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621:681.5
ББК 34.4+32.816
     Р99

Рецензенты:
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой технологий автоматизированного машиностроения механико-технологического факультета
ФГАОУ ВО «ЮУрГУ (НИУ)» В. И. Гузеев;
к. т. н., доцент, доцент кафедры математического моделирования технических систем Ульяновского государственного университета А. Р. Гисметулин;
заместитель начальника производственно-диспетчерского отдела предприятия АО «УКБП» А. В. Сизов




     Рязанов, С. И.
Р99       Автоматизация производственных процессов в машиностроении. Ро-
      бототехника, робототехнические комплексы. Практикум : учебное пособие / С. И. Рязанов, Ю. В. Псигин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -156 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1351-0

           Рассматривается теория надежности в практике построения автоматизированных систем проектирования структурных компоновок автоматизированных технологических комплексов, а также процесс создания, внедрения, модернизации, эксплуатации современных робототехнических комплексов. Даны сведения о выборе средств автоматизации, представленных на мировом индустриальном рынке.
           Для студентов, обучающихся по направлению 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Технология машиностроения».

УДК 621:681.5
                                                          ББК 34.4+32.816







ISBN 978-5-9729-1351-0

     © Рязанов С. И., Псигин Ю. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................8
1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ (деловая игра)......................9
Введение.................................................9
1. Цели занятия..........................................10
2. Общие положения.......................................10
2.1. Средства пневмоавтоматики в составе исполнительной системы промышленных роботов.....................................10
2.2. Средства пневмоавтоматики в составе энергообеспечивающей системы промышленных роботов............................13
2.3. Средства пневмоавтоматики в составе регулирующей системы промышленных роботов....................................13
2.4. Средства пневмоавтоматики в составе информационной системы промышленных роботов....................................14
3. Порядок выполнения практического занятия.............15
3.1. Общие рекомендации для подготовки к занятию........15
3.2. Информационная подготовка к занятию................15
3.3. Изучение и обсуждение исходных материалов для выполнения задания..................................16
3.4. Индивидуальное задание.............................17
4. Оформление отчета, подведение итогов деловой игры....18
5. Контрольные вопросы..................................20
Информационные ресурсы..................................21
2. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2.
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ...................24
Введение................................................24
1. Цели занятия.........................................24
2. Общие положения......................................24
2.1. Критерии выбора пневматических механизмов..........24
2.2. Расчет пневматических цилиндров....................24
2.3. Примеры использования пневматических приводов в элементах и системах автоматизации производства...................29

3

3. Порядок выполнения практического занятия...................34
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию...............34
3.2. Информационная подготовка к занятию......................34
3.3. Индивидуальное задание и примеры решения задач...........35
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия.48
5. Контрольные вопросы........................................49
Информационные ресурсы........................................49
3. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3.
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ..............50
Введение......................................................50
1. Цель занятия...............................................50
2. Общие положения............................................50
2.1. Оценка надежности сложных автоматизированных систем......50
2.2. Оценка функциональной надежности системы.................51
2.3. Оценка эффективной надежности системы....................52
2.4. Пример расчета функциональной и эффективной надежности системы............................................54
3. Порядок выполнения практического занятия...................56
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию...............56
3.2. Информационная подготовка к занятию......................56
3.3. Индивидуальное задание...................................56
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия.60
5. Контрольные вопросы........................................60
Информационные ресурсы........................................60
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4.
АНАЛИЗ СТРУКТУРНЫХ КОМПОНОВОК АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ....................................61
Введение......................................................61
1. Цели занятия...............................................61
2. Общие положения............................................61
2.1. Выбор альтернативы.......................................61
2.2. Понятия оценки альтернативных компоновок АТК.............61
2.3. Оценка вариантов компоновок АТК..........................62
2.4. Выбор варианта компоновки АТК............................62

4

2.5. Методика расчета неполных приведенных затрат для оценки экономической эффективности реализации вариантов
компоновок АЛ.................................................62
3. Пример оценки альтернативных вариантов структурных компоновок автоматизированных линий......................................64
3.1. Формулировка задачи......................................64
3.2. Решение задачи...........................................65
4. Порядок выполнения практического занятия...................67
4.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию...............67
4.2. Информационная подготовка к занятию......................67
4.3. Индивидуальное задание...................................67
5. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия.69
6. Контрольные вопросы........................................70
Информационные ресурсы........................................71
5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5.
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ И ТОПОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ........................................................72
Введение......................................................72
1. Цели занятия...............................................72
2. Общие положения............................................72
2.1. Топология АТК............................................72
2.2. Многообразие технологических топологий АТК...............72
2.3. Поиск оптимальной технологической структуры АТК..........73
2.4. Методика формирования вариантов топологии................74
3. Пример проектирования структуры АТК........................75
3.1. Базовые формулы расчета производительности АЛ............75
3.2. Результаты применения методики...........................76
4. Порядок выполнения практического занятия...................79
4.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию...............79
4.2. Информационная подготовка к занятию......................79
4.3. Индивидуальное задание...................................79
5. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия.80
6. Контрольные вопросы........................................80
Информационные ресурсы........................................81

5

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6. ВЫБОР ПРОМЫШЛЕННОГО РОБОТА (деловая игра).....................82
Введение......................................................82
1. Цели занятия...............................................82
2. Общие положения............................................82
2.1. Проект «Выбор ПР»........................................82
2.2. Алгоритмы выбора ПР......................................83
2.1.1. Простейший (типовой) алгоритм выбора ПР................83
2.1.2. Нетривиальные алгоритмы выбора ПР......................86
2.1.3. Алгоритмы выбора ПР на основе анализа размерных цепей.88
2.3. Выбор ПР как анализ предложений на рынке современной индустриальной робототехники..................................90
3. Порядок выполнения практического занятия...................91
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию...............91
3.2. Информационная подготовка к занятию......................91
3.3. Индивидуальное задание...................................91
4. Оформление отчета, подведение итогов практического занятия.92
5. Контрольные вопросы........................................94
Информационные ресурсы........................................94
7. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №7.
АВТОМАТИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ (деловая игра)................................................97
Введение......................................................97
1. Цель занятия...............................................97
2. Общие положения............................................97
2.1. Автоматизация современного машиностроения................97
2.2. SWOT-анализ проекта «Изучение автоматизации машиностроения с помощью интернет-ресурсов»..................................98
2.3. Применение результатов SWOT-анализа......................99
2.3.1. Знание теории, принципов и методов автоматизации......100
2.3.2. Системный анализ промышленной автоматизации...........101
2.3.3. Формат деловой игры...................................105
2.3.4. Знание национальных приоритетов.......................108
2.3.5. Изучение социально-экономических аспектов и современных тенденций автоматизации......................................110
2.3.6. Методика совершенствования изложенных выше мероприятий .... 114

6

3. Порядок выполнения практического занятия.........114
3.1. Общие рекомендации по подготовке к занятию.....114
3.2. Информационная подготовка к занятию............114
3.3. Проведение деловой игры........................114
4. Оформление отчетов. Подведение итогов игры.......115
5. Контрольные вопросы..............................117
Информационные ресурсы..............................118
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ................................122
ОСНОВНЫЕ ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ПОНЯТИЯ.....................123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................126
ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................127

7

    ВВЕДЕНИЕ


     Практические занятия по курсу «Автоматизация производственных процессов в машиностроении» (АППМ) способствуют выявлению ресурсов, пригодных для самосовершенствования в профессии. Ресурсы такого рода могут быть использованы в деле сохранения и/или развития такого привлекательного качества, каковым является адекватная персональная / корпоративная конкурентоспособность в условиях тотальной автоматизации жизни. В пособии принято, что главные цели практических занятий -это такие цели, достижение которых способствует увеличению следующих конкурентных преимуществ:
    -     способность видеть горизонты делового применения систем классификации элементов, устройств и систем автоматизации;
    -     уверенное следование традициям и культурам расчета элементов и систем автоматизации;
    -     знание источников выгоды, которая возникает благодаря применению теории надежности в практике построения автоматизированных систем;
    -     гибкость в сочетании персональных компетенций, что позволяет принимать участие в мероприятиях стратегического характера, например, в проектировании структурных компоновок автоматизированных технологических комплексов (АТК);
    -     самостоятельность и своевременность развития компетенций до уровня, который открывает доступ к участию в проектах создания, внедрения, модернизации, эксплуатации современных робототехнических комплексов;
    -     умение применять алгоритмы профессионального поведения для уверенного участия в процедурах подготовки решений о выборе средств автоматизации, представленных на мировом индустриальном рынке элементов и систем промышленной автоматизации.

8

1. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПНЕВМОАВТОМАТИКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ (деловая игра)


    Введение

    Пневмоавтоматика - это комплекс технических средств, предназначенных для построения такой разновидности автоматического управления, когда источником информации является давление или расход воздуха или других газов. Информацию такого вида называют пневмосигналами [1].
    Пневматические системы автоматического управления (САУ) применяют для оснащения станков - автоматов, автоматических линий, промышленных роботов, транспортеров, толкателей, укладчиков и многих других средств автоматизации основных, вспомогательных и обслуживающих операций.
    Например, циклические пневматические системы (рис. 1.1) обеспечивают последовательную смену фиксированных положений выходных звеньев 1, ведомых пневматическими исполнительными механизмами типа 2.


Рис. 1.1. Фрагмент автоматизированного станочного приспособления с пневматическим приводом ([2], с. 462, рис. 8):
1 - звенья приспособления; 2 - пневматический цилиндр;
3 - объект (установленный и зафиксированный в приспособлении)

Возможный вариант обобщенной классификации средств пневмоавтоматики представляет собой модель ранжирования средств пневмоавтоматики в соответствии с видами функциональных систем / подсистем, в которых эти средства используют. Такая модель является инструментом для системной инвентаризации всего многообразия средств пневмоавто-9

матики в соответствии с их служебной / функциональной принадлежностью к той или иной части автоматической системы из следующего списка: исполнительная, энергообеспечивающая, регулирующая, информационная, логико-вычислительная подсистемы.
    Современные примеры неординарных возможностей пневмоавтоматики в робототехнике демонстрирует, например, компания Festo Gesellschaft m.b.H [3], [4], [5]. Альтернативные дидактические материалы для изучения элементов пневмоавтоматики размещены во многих интернет-ресурсах, например, [6], [7], [8], [9].

    1. Цели занятия

    Главная цель занятия - приобретение навыков использовать принципы классификации средств пневмоавтоматики для разработки спецификации узлов и элементов пневмоавтоматики, когда решают задачу оснащения функциональных подсистем автоматизированных устройств, в частности, промышленных роботов.
    Вспомогательные цели формируют на основе сведений о результатах самостоятельной внеаудиторной подготовки студентов к занятию.
2. Общие положения

    2.1.    Средства пневмоавтоматики в составе исполнительной системы промышленных роботов

    В состав пневматических исполнительных механизмов входят пневмодвигатели следующих видов:
    - линейные пневмодвигатели (пневматические цилиндры);
    - поворотные пневмодвигатели;
    - пневмодвигатели вращательного действия (пневматические моторы).
    Например, в цикловых промышленных роботах пневмодвигатели используют в конструкциях захватных устройств (иное название - захваты, рис. 1.2), в узлах манипулятора, ведомых пневмодвигателями (рис. 1.3, позиция 11 - «цилиндр уравновешивания руки»). Нередко пневмодвигатели используют непосредственно как исполнительное звено манипулятора (рис. 1.4, позиция 17 - «цилиндр горизонтального перемещения руки манипулятора»).

10

Рис. 1.2. Схема устройства поворота захватов робота (в основе схемы - фрагменты рис. 1, [10, лист 37])

Рис. 1.3. Фрагмент принципиальной пневматической схемы манипулятора ПР РГШ - 40.02 [10, лист 74]: 1 - блок пневматический;
2 - пневмоклапан; 3 - реле давления; 4 - манометр; 5 - вентиль; 6 - клапан обратный; 7 - фильтр влагоотделитель; 8 - маслораспылитель; 9 - пневмораспределитель;
10 - блок цилиндров схватов; 11 - цилиндр уравновешивания руки;
12 - пневмоклапан предохранительный; 13 - регулятор давления; 14 - ресивер

11

Рис. 1.4. Принципиальная пневматическая схема промышленного робота ПРЦ-1 [10, лист 45]: 1 - фильтр-влагоотделитель; 2 - разъем выходной ЦПУ; 3 - разъем входной ЦПУ; 4 - пневмоклапан редукционный; 5 - маслораспылитель; 6 - включатель конечный; 7 - пневмораспределитель; 8 - выключатель конечный;
9 - клапан-разделитель; 10 - блок упоров; 11 - пневмораспределитель; 12 - золотник с пневмоуправлением; 13 - клапан трехлинейный с роликом; 14 - цилиндр вертикального перемещения; 15 - цилиндр упора; 16 - цилиндр модуля схвата;
17 - цилиндр горизонтального перемещения, 18 - цилиндр качания кисти руки;
19 - цилиндр поворота кисти руки; 20 - цилиндр модуля поворота;
21 - цилиндр фиксатора модуля поворота

12

    2.2.       Средства пневмоавтоматики в составе энергообеспечивающей системы промышленных роботов

    Энергообеспечивающая система (ЭОС) является подсистемой (частью системы) пневмоавтоматики. ЭОС производит и доставляет в заданном темпе, в необходимых объемах и с определенным качеством рабочее тело (сжатый воздух) для пневматического привода. ЭОС поддерживает в соответствии с заданными параметрами определенное состояние рабочего тела на всех этапах его использования вплоть до утилизации (выхлоп, выход в атмосферу).
    В состав ЭОС входят следующие устройства: компрессоры (объемного типа и динамического типа), устройства очистки и осушки воздуха (фильтры, фильтры-глушители, фильтры - влагоотделители, теплообменники, подогреватели, осушители воздуха, ресиверы, пневмоклапаны, манометры, термометры, трубопроводы и их соединения, блоки подготовки воздуха, маслораспылители и другие), ресиверы (устройства для создания резервного запаса воздуха), трубопроводы и их соединения, блоки подготовки воздуха.
    Например, анализ пневматической схемы манипулятора ПР РГШ -40.02 (рис. 1.3) позволяет выявить следующие устройства, входящие в состав ЭОС пневмоавтоматики робота: блок пневматический 1 «в целом», маслораспылитель 8, глушитель энергии звука, который возникает вследствие выхода воздуха из цилиндра 11, ресивер 14.
    Анализ пневматической схемы промышленного робота ПРЦ-1 (рис. 1.4) позволяет выявить следующие устройства, входящие в состав ЭОС пневмоавтоматики этого робота: фильтр-влагоотделитель 1 без автоматического отвода конденсата, маслораспылитель 5 (другие элементы ЭОС на схеме не показаны).

    2.3.   Средства пневмоавтоматики в составе регулирующей системы промышленных роботов

    Регулирующая система (РС) является подсистемой (частью системы) пневмоавтоматики. РС реализует способы управления потоками рабочего тела (сжатого воздуха) в пневмосистеме, формирует направления и поддерживает заданные параметры этих потоков.
    К параметрам потоков относят такие факторы как давление и расход

сжатого воздуха.

13

    В состав PC входят пневмораспределители, запорные элементы (обратные клапаны, замки, вентили), устройства регулирования расхода (дроссели, клапаны быстрого выхлопа), устройства регулирования давления (редукционные пневмоклапаны, предохранительные пневмоклапаны, усилители давления).
    Например, анализ пневматической схемы манипулятора ПР РГШ -40.02 (рис. 1.3) позволяет выявить следующие устройства, входящие в состав PC пневмоавтоматики робота: пневмораспределители 9, пневмоклапан предохранительный 12, регулятор давления 13, а также те элементы, которые присутствуют в составе ЭОС - пневмоклапан 2, реле давления 3, вентиль 5 и клапан обратный 6.
    Анализ пневматической схемы промышленного робота ПРЦ-1 (рис. 1.4) позволяет выявить следующие устройства, входящие в состав PC пневмоавтоматики этого робота: пневмоклапан редукционный 4, несколько пневмораспределителей 7, клапан разделительный 9, пневмораспределитель 11, золотник 12 с пневмоуправлением, клапан 13 трехлинейный с роликом.

    2.4.    Средства пневмоавтоматики в составе информационной системы промышленных роботов

    Информационная система (ИС) формирует и поддерживает информационные потоки в автоматизированной системе. ИС обеспечивает своевременность, надежность и другие заданные показатели качества дискретных информационных сигналов, последовательное появление которых во времени образует потоки информации. Информация, формируемая в ИС, становится пригодной для автоматического управления устройством в результате качественных преобразований (вида, формы, мощности и других атрибутов) информационных сигналов пневматической природы.
    В состав ИС входят пневмокнопки, пневматические путевые выключатели, немеханические пневматические датчики положения (например, так называемые струйные датчики), усилители давления, пневмоклапаны последовательности, индикаторы давления, счетчики импульсов.
    Например, анализ пневматической схемы манипулятора ПРЦ-1 (рис. 1.4) позволяет выявить следующие устройства, входящие в состав ИС пневмоавтоматики робота: выключатели конечные 6, выключатели конечные 8, блок упоров 10, клапан 13 трехлинейный с роликом.

14

    К логико-вычислительным элементам пневматической части информационной системы управления промышленными роботами относят логические пневмоклапаны, пневмоклапаны выдержки времени, устройства запоминания сигнала в пневматических системах [11] и другие.

    3. Порядок выполнения практического занятия
    3. 1. Общие рекомендации для подготовки к занятию

    Во время подготовки к занятию, традиционно, выявляют неосвоенные резервы самосовершенствования в смежных дисциплинах, которые могут быть актуальны для успешного выполнения предстоящего практического занятия. Перечень смежных дисциплин размещен в программе курса «Автоматизация производственных процессов в машиностроении» (АППМ) в разделе «Дисциплины, предшествующие изучению курса».
    В программе курса АППМ в разделе «Самостоятельная работа студентов» приведены дополнительные актуальные сведения о регламенте внеаудиторной работы, которая рекомендована для подготовки к занятию.
    Раздел «Формируемые компетенции» дает представление о тех средствах повышения персональной конкурентоспособности на рынке труда, которые могут быть выявлены и освоены каждым исполнителем во время практического занятия и по его завершении, в частности, на стадии анализа достигнутых результатов.

    3. 2. Информационная подготовка к занятию

    Информационная подготовка к занятию предполагает, прежде всего, выявление персональной осведомленности о предмете практического занятия. В этой связи, рекомендуемые информационные ресурсы (см. п. 5) полезны также для построения персональных образовательных траекторий поведения в информационном пространстве, которое образует современную систему знаний о пневмоавтоматике.
    Видеофайлы в интернете, например, такие как [3], [4], [5], дают наглядное представление о современных достижениях индустрии в развитии средств и технологий пневмоавтоматики и обычно мотивируют к углублению познаний предмета. Такие источники, как [11], раскрывают «как все устроено» в пневмоавтоматике, выводят на позиции профессионального восприятия информации о пневмоавтоматике, представленной в популярных форматах, например, в [3] и [4].

15