1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ 1.1. Основные направления и задачи автоматизации различных видов производства

← К оглавлению

1 2 3 4 5 6

Современная технологическая наука делит машиностроитель-

ное производство по своему характеру на массовое, серийное и еди-

ничное с внутренним подразделением (например, на мелкосерийное,

среднесерийное и крупносерийное). При массовом производстве тех-

нологическое оборудование специализируется на выполнении одина-

ковых, повторяющихся операций технологического процесса без пере-

наладки. При серийном производстве технологическое оборудование

специализируется на выполнении двух или нескольких закрепленных

операций, чередующихся в определенной последовательности. При

единичном производстве оборудование загружается различными рабо-

тами и не имеет постоянно закрепленных операций или объектов

обработки.

Сроки службы техники не всегда определяются ее физической

долговечностью. Чаще всего они определяются качеством выпускае-

мой продукции, требования к которому постоянно растут, заставляя

модернизировать или вовсе заменять объекты производства. Напри-

мер, нам выгодно наладить массовый выпуск машин или станков оп-

ределенного типа путем создания станков-комбайнов и автоматичес-

ких линий для их выпуска, как это принято при производстве автомо-

билей. Разумеется, таким путем можно выпускать машины высокого

качества с минимальной себестоимостью, если сроки их выпуска будут

длительными (N > 10 лет). Но это означало бы, что 10 лет мы будем

выпускать машины одного и того же качества, пренебрегая требова-

ниями непрерывного их совершенствования. Фирмы, выпускающие

более дорогие машины мелкими сериями того же назначения, что и в

первом случае, за эти 10 лет могут непрерывно совершенствовать вы-

пускаемую продукцию, так что, хотя эти машины и будут дороже, чем

машины массового выпуска, но по производительности, точности и

степени автоматизации они будут намного лучше первых. Для потре-

бителя всегда выгоднее иметь одну машину или станок, чем две, для

выполнения той же работы. Отсюда естественное стремление к произ-

водству машин более высокого качества.

Здесь под качеством понимаем сложный комплекс, включаю-

щий в себя производительность, точность, надежность, степень авто-

матизации, удобство обслуживания, техническую эстетику и др. В за-

висимости от назначения изделия эти характеристики, естественно,

5будут иными. Можно сказать, что качество технологических машин

определяется тем, насколько с их помощью производят больше, лучше

и дешевле.

Как видим, качество и массовость входят в противоречие, так

как первое требует непрерывного совершенствования продукцию (бы-

стросменность производства), а второе – постоянства выпуска продук-

ции высокого качества. Наиболее остро это противоречие проявляется

при изготовлении предметов массового производства, которые в силу

своего назначения и спроса должны в кратчайшие сроки выпускаться

сотнями тысяч, миллионами. Так, предметы потребления (например,

обувь, одежда, бытовая техника и даже мебель), с одной стороны, тре-

буют налаженного массового производства, а с другой – непрерывного

совершенствования моделей выпускаемых изделий. Еще более уже-

сточены сроки сменяемости продукции в области радиотехники, при-

боростроения, средств связи, оборонной техники, Таким образом, бы-

стросменность производства – это признак, присущий не только мел-

косерийному производству, как это принято считать, а характерный

признак развития современной техники.

В последнее время во всем мире широким фронтом идут рабо-

ты по автоматизации мелкосерийного производства. Это объясняется

тем, что удельный вес мелкосерийного производства еще велик (до

80 %), поскольку срок жизни или срок выпуска одной и той же про-

дукции, предопределяемые непрерывными, быстрыми темпами совер-

шенствования качества объектов производства, сегодня постоянно

сокращаются и в среднем составляют 3 года.

Известно, что темпы изменения качества объектов производ-

ства настолько сейчас велики, что прежние понятия о сроках службы

(N = 10, 20, 30 лет) совершенно неприемлемы. Многие машины, аппа-

раты, приборы, изделия быта настолько быстро совершенствуются, что

невозможно говорить о длительных сроках выпуска продукции одного

и того же качества, и, следовательно, о длительных сроках службы

средств производства для этой продукции. Во многих случаях сроки

выпуска сокращаются до одного года, а то и нескольких месяцев. Эта

неумолимая тенденция в развитии техники требует пересмотра укоре-

нившихся взглядов и наряду с известной характеристикой видов про-

изводства (мелкосерийное, серийное и массовое) необходимо видеть

рождение принципиально нового вида производства со следующей

характеристикой: массовое быстросменное производство.

Как видим, имеет место сочетание двух противоречивых

взаимоисключающих, характерных черт производства. До сих пор бы-

стросменность была характерной чертой мелкосерийного производст-

6ва, а массовость – стабильного производства. Это диалектическое про-

тиворечие и является тем движущим началом технической революции,

свидетелями и участниками которого мы являемся. И весь мир ищет не

только средства и способы автоматизации мелкосерийного производ-

ства, но и средства для нового вида быстросменного массового произ-

водства. Следовательно, на данном этапе развития техники ее движу-

щим началом является противоречие между массовостью и быстрос-

менностью производства. Разумеется, при определении эффективных

путей развития техники необходимо исходить из этого условия.

Таким образом, важнейшей проблемой автоматизации является

проблема мобильности техники. При современных темпах развития

техники с быстроменяющимися объектами производства проблема

мобильности требует разрешения противоречия между массовостью и

быстросменностью, количеством и качеством путем резкого снижения

средств и времени на автоматизацию производственных процессов и

создания принципиально новых систем автоматизации. Современные

методы и средства автоматизации решают задачи повышения произво-

дительности труда в первую очередь в условиях массового и крупно-

серийного производств. Поэтому создание новых мобильных средств и

систем автоматизации, которые, обладая всеми достоинствами высо-

кой производительности, позволяли бы свободно переходить от одного

вида продукции к другому, является первоочередной проблемой.

Эта гигантской трудности задача должна быть решена для то-

го, чтобы автоматизация из рычага технического прогресса не превра-

тилась в его тормоз.

В условиях крупносерийного и массового производств авто-

матизация на первом этапе обеспечивает значительный экономический

эффект благодаря повышению качества продукции, росту производи-

тельности, сокращению количества обслуживающих рабочих и зани-

маемых площадей.

Вместе с тем, развитие человечества приводит к переходу от

индустриального производства к информационному, когда получен-

ные и используемые знания превращаются в производительные силы.

Это приводит к возникновению и использованию высоких технологий

или технологий легкого касания, когда человек с помощью пусковых

кнопок управляет оборудованием и всем технологическим процессом.

Разумеется, что все это может быть достигнуто лишь при высокой сте-

пени автоматизации технологического процесса и оборудования.

Таким образом, сегодняшнее развитие производства невоз-

можно без его автоматизации для повышения производительности и

облегчения условий труда человека. Вместе с тем, в производственном

процессе сегодня используется и механизация.

71.2. Основные положения автоматизации производства

1.2.1. Основные понятия и определения

Механизация – применение в производственном процессе

машин и механизмов, заменяющих мускульный труд рабочего. Меха-

низация может быть либо частичной, либо полной или, как ее называ-

ют, комплексной.

Частичная или малая механизация – это механизация части

движений, необходимых для осуществления производственного про-

цесса: либо главного движения, либо вспомогательных и установоч-

ных движений, либо движений, связанных с перемещением изделий

(деталей и полуфабрикатов) с одной рабочей позиции на другую.

Полная или комплексная механизация – механизация всех

основных, вспомогательных, установочных и транспортных движений,

которые выполняются по ходу производственного процесса. При пол-

ной механизации обслуживающий персонал осуществляет только опе-

ративное управление производственными процессами, включение и

выключение в нужные моменты требуемых механизмов и управление

режимом и характером их работы.

Автоматизация – характеризуется освобождением человека

не только от мускульных усилий для выполнения тех или иных движе-

ний, но и от оперативного управления механизмами, выполняющими

эти движения. Автоматизация может быть частичной и полной или,

как чаще называют, комплексной.

Частичная автоматизация – автоматизация части операции

по управлению производственным процессом при условии, что осталь-

ная часть всех операций выполняется рабочим.

Полная или комплексная автоматизация характеризуется

автоматическим выполнением всех функций для осуществления про-

изводственного процесса без непосредственного вмешательства чело-

века в работу оборудования. В обязанности человека входит настройка

машины или группы машин, включение и контроль. Автоматизация –

это высшая форма механизации, но вместе с этим это новая форма

производства, а не простая замена ручного труда механическим, по-

этому следует избегать использования традиционных конструктивных

схем, не дублировать движения руки рабочего в механизмах, а искать

новые решения, используя возможности автоматических устройств.

Таким образом, автоматизация предусматривает пересмотр применяе-

мых технологий, а иногда и конструкцию самого выпускаемого изде-

лия. Она дает экономический эффект только при наличии определен-

ных предпосылок.

8При рассмотрении проблем, связанных с автоматизацией, не-

обходимо различать понятие “автоматизация” и “автоматика”. Авто-

матизация – сложный процесс, который охватывает множество соот-

ношений: технических, научных, специальных, экономических и т. п.,

ставит их в некое единство, где противоречивые положения сочетаются

в целесообразности, обусловленной диалектикой процесса. При разра-

ботке автоматического оборудования необходимо решать многие проб-

лемы автоматики: управление, контроль, сбор, переработка информа-

ции и др. Автоматика как научная дисциплина связана с изучением

общих закономерностей и условий функционирования и алгоритмов

управления для различных технических процессов с целью разработки

принципов построения систем автоматического управления. Различие

понятий “автоматизация” и “автоматика” иллюстрируется рис. 1.1.

Рис. 1.1 – Соотношение между автоматизацией и автоматикой

АВТОМАТИЗАЦИЯ

АВТОМАТИКА

В неавтоматизированном производстве все производственные

процессы строятся из условий совместной работы человека и машины.

Неавтоматизированная рабочая машина, как и указывалось ранее, име-

ет только механизмы рабочих ходов, а все холостые ходы (зажим, раз-

жим, загрузка и т. п.) совершает человек. Человек своим непосредст-

венным воздействием выбирает и осуществляет последовательность

обработки, т. е. программу обработки.

На первом этапе автоматизации осуществлялась автоматиза-

ция выполнения рабочего цикла, т. е., создавались полуавтоматы и

автоматы. Второй этап автоматизации представляет комплексная ав-

томатизация, когда создаются целые комплексы автоматически рабо-

тающих машин (автоматические линии, цехи и заводы).

91.2.2. Уровень механизации и автоматизации производства

Часто при анализе производства бывает недостаточно знать,

на какой стадии механизации или автоматизации находится тот или

иной технологический процесс. Степень механизации и автоматизации

определяется уровнем механизации и автоматизации. Оценка уровня

механизации и автоматизации осуществляется тремя основными пока-

зателями: степенью охвата рабочих механизированным трудом, уров-

нем механизированного труда в общих трудозатратах и уровнем меха-

низации и автоматизации производственных процессов.

Для механических и сборочных цехов эти показатели опреде-

ляются по следующим формулам [17].

Степень охвата рабочих механизированным трудом (в %)

100 100 м

ммрр

РР

РР Р Р

м = . (1.1)

Уровень механизированного труда в общих трудозатратах (в %)

100 100 100 ма

мт

ммрр ммр р

ТР K Р K У

ТТ Т РР Р Р

а Σ Σ

=≈=

++ ++

. (1.2)

Уровень механизации и автоматизации производственных

процессов (в %), отражающий качественную сторону механизации,

рассчитывают по формуле:

100 а

ам р

Р K ПМ У

Р K ПМ Р Рр

Σ ⋅⋅

Σ⋅⋅+ +

, (1.3)

но

100

мт

мр р

У РРР⎛⎞

+= − ⎜

⎝⎠

⎟ ; (1.4)

тогда формула примет вид:

100

мт

Р K ПМ У

У Р K ПМ Р

Σ ⋅⋅

⎛⎞

Σ⋅⋅+− ⎜⎟

⎝⎠

. (1.5)

10Процент возрастания производительности труда в данном цехе

(на предприятии, на участке) за счет его механизации

р П определяют

по формуле:

( ) ( )

()()

21 2

1 12

100 100 100

100

100 100

мт п м

м мт п

УУ С

С УУ

⎡⎤ −−

⎢⎥ =−

⎢⎥ −− ⎣⎦

, (1.6)

где индекс 1 соответствует показателям, полученным до про-

ведения механизации, а индекс 2 – после механизации.

В формулах приняты следующие обозначения:

м Р – число ра-

бочих, выполняющих работу механизированным способом; Р – общее

число рабочих на рассматриваемом участке (в цехе);

. м р Р – число ра-

бочих, выполняющих работу при помощи ручного механизированного

инструмента;

р Р – число рабочих, выполняющих работу вручную;

м Т –

время механизированного труда в процессе;

р Т – время ручного труда

в процессе;

. м р Т – время труда с применением ручного механизиро-

ванного инструмента; – число рабочих (во всех сменах) на данном

рабочем месте, занятых механизированным трудом;

а Р

а Р Σ =

м Р – чис-

ло рабочих (во всех сменах) на участке (в цехе), занятых механизиро-

ванным трудом; – коэффициент механизации, выражающий отно-

шение времени механизированного труда к общим затратам времени

на данном рабочем месте; П – коэффициент производительности обо-

рудования, характеризующий отношение трудоемкости изготовления

детали на универсальном оборудовании с наименьшей производитель-

ностью, принятом за базу (Т

о), к трудоемкости изготовления этой де-

тали на действующем оборудовании (Т1); М – коэффициент обслужи-

вания, зависящий от количества единиц оборудования, обслуживаемо-

го одним рабочим (при обслуживании оборудования несколькими ра-

бочими М меньше единицы).

Система трех основных показателей уровня механизации и ав-

томатизации производственных процессов позволяет:

а) оценивать состояние механизации и автоматизации произ-

водства и вскрывать резервы для повышения производительности труда;

б) сравнивать уровни механизации (автоматизации) родствен-

ных заводов и отраслей машиностроении и приборостроения;

11в) сравнивать уровни механизации соответствующих объектов

по периодам внедрения и тем самым определять состояние механиза-

ции и направления дальнейшего совершенствования производствен-

ных процессов;

г) планировать уровни механизации.

Наряду с приведенными основными показателями при анализе

степени механизации и автоматизации отдельных видов производства

на ряде предприятий уровень механизации определяется степенью

экономии затрат труда, т. е. степенью повышения производительности

труда.

Критерий уровня механизации должен количественно харак-

теризовать, в какой мере на данной стадии механизации используются

возможности экономии затрат труда, т. е. роста производительности

труда, открываемые полной, комплексной механизацией производства.

Критерий уровня механизации (в %)

. .

100 100

рчм чм

пм р пм

tt t

ttt

− Δ

α= =

Δ−

, чел.·ч/шт, (1.7)

где – экономия рабочего времени при частичной меха-

низации в чел.·ч/шт;

. чм t Δ

. пм t Δ – экономия рабочего времени при полной

механизации в чел.·ч/шт;

р t – трудоемкость изделия при изготовлении

его немеханизированным способом в чел.·ч/шт;

. чм t – то же, в условиях

рассматриваемого уровня частичной механизации в чел.·ч/шт; – то

же, в условиях полной, комплексной, механизации в чел.·ч/шт.

. пм t

Критерий

м α изменяется в пределах 0 ≤ α ≤ 1. При

м α = 0

имеет место ручной труд. При

м α = 1 осуществлена полная, комп-

лексная механизация производства. Следует отметить, что критерий

м α учитывает рост производительности труда.

Обозначив через р производительность труда и подставив в

формулу для

м α вместо величин трудоемкостей величины 1/р с соот-

ветствующим индексом, получим

. .

100 100

рчм чм

р рпм

пм

tt р

р tt

−

α= =

−

, (1.8)

12где

р р – производительность в условиях ручного труда;

. чм р –

то же, в условиях частичной механизации производства;

. пм р – то же,

в условиях полной, комплексной механизации производства. Критерий

уровня автоматизации производства (в %) определяют аналогично

формуле (1.8):

...

100 100 ча пм ча

па пм па

ttt

Δ −

α= =

Δ−

, (1.9)

где – экономия рабочего времени при частичной автома-

тизации в чел.·ч;

. ча t Δ

. па t Δ – экономия рабочего времени при полной авто-

матизации в чел.·ч; – трудоемкость изготовления рассматриваемо-

го изделия в условиях полной, комплексной механизации его произ-

водства в чел.·ч; и – трудоемкость изготовления этого изделия при

частичной ( ) и полной ( ) автоматизации его производства в чел.·ч.

. пм t

. ча t . па t

1.2.3. Классификация автоматического

оборудования и технологических процессов

Классификация автоматического оборудования и производ-

ственных подразделений может быть представлена в следующем виде:

Полуавтомат – такая единица оборудования, на котором без

непосредственного участия человека, т.е. автоматически, осуществ-

ляется выполнение всех операций по непосредственному воздействию

на предметы труда (обрабатываемые заготовки). Повторение операций

обработки (сборки) требует вмешательства человека для установки

заготовки (детали), снятия ее и пуска оборудования. Основным недос-

татком полуавтоматического оборудования является нарушение не-

прерывности технологического процесса, которое производится как бы

внутри самой машины и поэтому ведет к ряду весьма отрицательных

последствий.

Автомат – такая единица оборудования, на которой без не-

посредственного участия человека, т. е. автоматически, выполняются

все работы, для которых она предназначена. В автоматах человек за-

полняет загрузочные устройства заготовками (деталями), налаживает

автомат, контролирует обработку и осуществляет подналадку, а также

смену инструмента и удаление отходов. На некоторых автоматах конт-

13роль обработки, подналадка автомата по результатам контроля, а так-

же смена инструментов и удаление отходов осуществляются автома-

тически.

Понятия “автомат” и “полуавтомат” иллюстрируются схемой

(рис. 1.2):

А В Т О М А Т

П О Л У А В Т О М А Т

ОБРАБОТКА

ОТВОД ИНСТР.

ПОДВОД ИНСТР.

ЗАГРУЗКА

ВЫГРУЗКА

Рис. 1.2 – Иллюстрация понятий “автомат” и “полуавтомат”

Таким образом, автомат – это машина, которая самостоятель-

но выполняет более одного рабочего цикла. Из приведенного опреде-

ления автомата следует, что в этом типе оборудования человек удален

из сферы производства, его непосредственная связь с оборудованием

нарушена, производственный процесс идет непрерывно, останавливаясь

только для периодической загрузки, контроля, подналадки оборудова-

ния, а иногда только одной наладки.

Поточная линия – такой производственный участок, на кото-

ром постоянно или периодически изготовляется один или несколько

видов изделий, при этом рабочие места (станки, рабочие машины,

стенды и т.д.), специализированные на выполнение одной или нес-

кольких однотипных операций, расположены по ходу технологическо-

го процесса (в линию, которая может быть не прямой). Любая поточ-

ная линия во всех случаях характеризуется прямоточностью, т.е. изго-

тавливаемое изделие проходит последовательно все операции техно-

логического процесса, что иллюстрируется рис. 1.3.

В механизированных поточных линиях большая часть опера-

ций производственного процесса выполняется механизмами, машина-

ми и другими видами оборудования и, кроме того, механизированы

14процессы перемещения предмета труда (заготовок, деталей, исходного

материала) от одного рабочего места к другому. При этом в отдельных

случаях допускается перемещение предмета труда вручную. В ком-

плексно-механизированных поточных линиях все операции производ-

ственного процесса выполняются механизмами, машинами и другими

видами оборудования с равной или кратной производительностью, а

также механизированы процессы перемещения предмета труда от од-

ного рабочего места к другому.

1 2 3 9

8 10

4 7

5 6

Рис. 1.3 – Иллюстративная схема поточной линии

Автоматическая линия представляет собой группу станков-

автоматов, объединенных общими транспортными устройствами с

единым темпом и общей системой управления, осуществляющих без

участия человека в определенной технологической последовательнос-

ти комплекс операций части производственного процесса. В автомати-

ческих линиях человек выполняет только наладку, наблюдение и регу-

лирование, а в некоторых случаях – контроль обработки и подналадку,

смену инструмента при износе (затуплении), а также начальные загру-

зочные или конечные разгрузочные операции.

Комплексно-механизированный завод (цех, участок) – завод

(цех, участок), где все технологические процессы основного и вспомо-

гательного производства, транспортные, погрузочно-разгрузочные и

складские работы (внутризаводские, внутрицеховые), удаление отхо-

дов производства, уборка помещений и территорий, подготовка и

управление производством (подготовка технической документации,

планирование, диспетчеризация, учет и др.) выполняют работники за-

вода, использующие машины, механизмы, приборы, аппараты и другие

средства механизации. При этом в отдельных подразделениях допус-

кается ручной труд.

15Автоматизированный завод (цех, участок) – завод (цех, учас-

ток), в котором технологические процессы основного производства

осуществляются с помощью автоматов, автоматических линий и дру-

гих средств автоматизации, а вспомогательные работы и процессы (ра-

боты по инструментальному производству, служб главного механика и

энергетика, транспортные, погрузочно-разгрузочные, складские),

уборка помещений и территорий, подготовка и управление производ-

ством выполняются работниками различных служб с помощью машин,

механизмов, приборов, аппаратов и других средств механизации с

элементами автоматизации отдельных работ. При этом труд на от-

дельных операциях, процессах и в отдельных подразделениях может

быть механизированным и ручным.

Комплексно-автоматизированный завод (цех, участок) – за-

вод (цех, участок), в котором выполнение всех технологических про-

цессов основного и вспомогательного производства осуществляется

при помощи автоматического оборудования и устройств, а человек

выполняет только функции централизованного наблюдения, регулиро-

вания и управления ходом заданного технологического процесса. При

комплексно-автоматизированном производстве допускается на отдель-

ных процессах и в подразделениях механизированный и ручной труд.

Это возможно там, где механизация и автоматизация на данном этапе

по технико-экономическим соображениям нецелесообразна.

Общим недостатком традиционных средств автоматизации

следует признать узкую ориентацию станков и поточных линий на

изготовление определенного вида изделий. В связи с этим подобные

средства можно использовать только там, где производство носит мас-

совый, устойчивый характер. В промышленно развитых странах круп-

носерийное и массовое производство составляет лишь 20 %, а единич-

ное, мелкосерийное и серийное производство – 80 %. В целях разре-

шения противоречий, обусловленных, с одной стороны, мелкосерий-

ностью объектов производства, а с другой, крупными масштабами са-

мого производства, были введены методы групповой технологии.

Следующим шагом на пути автоматизированного производст-

ва является разработка программируемых и за счет этого перенастра-

иваемых средств, т.е. гибкого оборудования. К ним относятся станки

с числовым программным управлением, в том числе обрабатывающие

центры, промышленные роботы и другие виды оборудования. Еще

большей гибкостью обладают системы из гибких (по управлению)

элементов, управляемые ЭВМ как единым целым.

Таким образом, возникло гибкое автоматическое производ-

ство (ГАП) под которым понимается производственная единица (ли-

16ния, участок, цех, завод) функционирующая на основе безлюдной тех-

нологии, работа всех производственных компонентов которой (техно-

логического оборудования, складских и транспортных систем, участ-

ков комплектования и др.) координируется как единое целое много-

уровневой системой управления, обеспечивающей изменение прог-

раммы функционирования компонентов ГАП и тем самым быструю

перестройку технологии изготовления при смене объектов производ-

ства. Гибкое автоматическое производство рассчитано на выпуск се-

рийных, мелкосерийных и единичных изделий. В производственном

процессе ГАП человек не принимает непосредственного участия; ГАП

функционирует на основе программного управления и групповой ор-

ганизации производства.

К преимуществам ГАП механической обработки по сравне-

нию с участками, составленными из универсальных станков, следует

отнести:

− резкое увеличение производительности труда в процессе из-

готовления единичной и мелкосерийной продукции (благодаря более

высокой загрузке оборудования);

− быстрое реагирование на изменение требований заказчиков;

− существенное повышение качества продукции за счет уст-

ранения ошибок и нарушений технологических режимов, неизбежных

при ручном труде;

− сокращение времени производственного цикла в несколько раз;

− уменьшение капитальных вложений, площадей и численнос-

ти обслуживающего персонала прежде всего за счет трехсменного ре-

жима работы, при этом две смены ведутся практически только под

наблюдением оператора;

− снижение объема незавершенного производства;

− повышение эффективности управления за счет исключения

человека из производственного процесса;

− улучшение условий труда, устранение сложных, трудоемких

и тяжелых операций, освобождение человека от малоквалифицирован-

ного и монотонного труда.

Более подробно гибкое автоматическое производство рас-

смотрено в [1].

Классификация технологических процессов и оборудования

машиностроительного и приборостроительного производств. Тех-

нологический процесс заключается в осуществлении определенного

взаимодействия между предметом труда (заготовками, деталями) и

орудием труда (инструментом) или рабочей средой (химическая среда,

нагретый воздух или газ и т. п.). С точки зрения пригодности техноло-

17гического процесса к автоматизации и сложности осуществления пос-

ледней все применяемые в машиностроительном и приборостроитель-

ном производствах процессы можно разбить на два основных и два

переходных класса. Эта классификация приводится в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Класс

Потребность

ориентации:

основной

переходный

основной

заготовки

(детали)

да да нет нет

инструмента да нет да нет

К первому основному классу относятся процессы, которые

требуют ориентации заготовки (детали) и характеризуются наличием

обрабатывающего инструмента, который также должен быть ориенти-

рован в пространстве. Ко второму основному классу относятся про-

цессы, которые не требуют ориентации заготовки (детали), в них вмес-

то обрабатывающего инструмента используют рабочую среду. К пер-

вому переходному классу относятся процессы, которые требуют ори-

ентации заготовки (детали), но инструмент отсутствует, и его роль

выполняет рабочая среда. Ко второму переходному классу относятся

процессы, которые не требуют ориентации заготовки (детали), но в

них участвует обрабатывающий инструмент, имеющий заданную ори-

ентацию. К процессам первого основного класса относятся обработка

резанием, давлением, а также сборка, контроль (вместо обрабатываю-

щего инструмента в этом случае используют инструмент для сборки

или измерительный инструмент); к процессам первого переходного

класса – нанесение местных покрытий, контроль твердости намагни-

чиванием и т. п. К процессам второго основного класса относятся тер-

мическая обработка, галтовка, мойка, сушка и т. п., а второго переход-

ного класса – производство деталей из пресс-порошков, производство

металлокерамических и керамических деталей и т. п. Процессы, отно-

симые ко второму основному и переходному классам автоматизиро-

вать проще, нежели процессы первого основного и переходного классов.

Рабочие машины автоматизированного производства по сте-

пени непрерывности разбивают на три класса: дискретные, непрерыв-

ные и квазинепрерывные.

Машины дискретного действия (рис. 1.4, а) требуют оста-

новки предмета труда на рабочей позиции на период выполнения ра-

бочего процесса. Производительность таких машин

цмхзотр

Т ttttt

++++

, (1.10)

где – время цикла;

ц Т м t – машинное время;

х t – время холос-

того хода; – время фиксации и зажима; – время освобождения

(разжима и расфиксации); – время транспортирования.

t о t

тр t

Рис. 1.4 – Схемы дискретных (а), непрерывных (б) и

квазинепрерывных технологических машин (в)

υт

υт υт

υт

υтр

υтрυт

Машины непрерывного действия (рис. 1.4, б) характеризуются

тем, что орудия труда занимают заданные им положения (т. е. они не-

19подвижны), а предмет труда непрерывно движется в процессе обра-

ботки. Производительность машин этого класса:

тт Q

hl a

υ υ

, (1.11)

где , – скорость технологического движения; l – размер за-

готовки (детали), измеренный в направлении ее движения; а – рас-

стояние между двумя заготовками (деталями).

т υ

Машины квазинепрерывного действия (рис. 1.4, в) характе-

ризуются тем, что предмет и орудие непрерывно перемещаются. Произ-

водительность машин этого класса:

тр тр

hl a

υ υ

, (1.12)

где – скорость транспортного движения. Значения разме-

ров l и a приведены ранее.

тр υ

Квазинепрерывные машины позволяют повысить производи-

тельность и занимают промежуточное место между машинами дис-

кретного и непрерывного действия. В квазинепрерывных машинах

скорости транспортного и технологического движений независимы

друг от друга. Наибольшую точность обработки дают машины дис-

кретного действия, а наименьшую – квазинепрерывные.

По принципу управления автоматические рабочие машины

могут быть разделены на циклические, рефлекторные, самонастраи-

вающиеся.

Циклические автоматические машины и системы машин –

здесь выполняется жестко заданная программа производственного

цикла без контроля в процессе ее выполнения. За человеком в этих

машинах остаются функции контроля, наблюдения, регулирования и

программирования производственного процесса. Этот тип машин ха-

рактеризуется жестким ритмом процесса. Здесь x = f(t).

Рефлекторные автоматические машины и системы ма-

шин – здесь управление и контроль хода производственного процесса

осуществляется в соответствии с заданной постоянной программой, в

которой каждая последующая команда выполняется после завершения

предыдущей. При этом человек освобождается как от функции управ-

ления, так и от контроля качества продукции. Изменение программы

или условий ее выполнения осуществляется человеком. Здесь команда

управления xi = f(yi-1).

20Самонастраивающиеся автоматические машины и систе-

мы машин – в них по заданным конечным параметрам производст-

венного процесса и в зависимости от совокупности условий автомати-

чески изыскивается и производится необходимое (или даже оптималь-

ное) управление процессом, т. е. человек освобождается (целиком или

частично) и от программирования. Работа этих машин связана с при-

менением тех или иных электронно-вычислительных машин и уст-

ройств для управления и контроля. Команда управления x = f(y, F, t).

В циклических машинах отсутствуют обратные связи и поэто-

му точность управления довольно низка. Рефлекторные автоматичес-

кие машины позволяют повысить точность за счет введения обратных

связей. Они успешно применяются для сравнительно простых процес-

сов. Для сложных процессов, где на результаты процесса влияет зна-

чительное количество различных факторов, приходится применять

самонастраивающиеся системы. Они значительно сложнее, использу-

ют несколько каналов обратной связи, что позволяет повысить эффек-

тивность управления, но стоимость таких систем выше, а надежность

достигается дальнейшим усложнением.

1.2.4. Основные предпосылки автоматизации

в машиностроении и приборостроении

Важнейшей объективной предпосылкой, определяющей воз-

можность использования передовой техники производства, и, в част-

ности, средств автоматизации, является достаточный объем выпуска

однородной продукции на данном предприятии и ее стабильность.

Важным средством решения этой задачи является специализация про-

изводства на изготовлении как определенных типов изделий, так и

отдельных сборочных единиц и деталей к ним на базе наибольшей

нормализации и стандартизации. Весьма важно проектирование новых

изделий осуществлять с учетом созданных ранее, т. е. необходима пре-

емственность конструкции, единообразие их, унификация как родст-

венных изделий, так и сборочных единиц и деталей, имеющих одина-

ковое служебное назначение. Не менее важным является унификация

отдельных элементов, деталей.

Унификация деталей в любом изделии оценивается с помо-

щью коэффициента применяемости сборочных единиц и деталей

100.

спз

пр

спзо

K Σ +Σ +Σ

Σ+Σ+Σ+Σ

(1.13)

21Коэффициент применяемости заимствованных деталей (без

учета покупных и стандартизованных), характеризующий степень

унификации данного изделия по оригинальным деталям

100 з

пр з

спзо

K Σ

Σ+Σ+Σ+Σ

. (1.14)

В формулах приняты обозначения: , ,

сп з

Σ ΣΣ и

о Σ – коли-

чество наименований типоразмеров деталей соответственно стандарти-

зованных (в том числе нормализованных по действующим нормалям),

покупных, заимствованных, оригинальных.

Очевидно, чем выше значения и по данной машине

(прибору), тем выше степень ее унификации. Наряду с коэффициентом

применяемости следует определять коэффициент повторяемости

пр K . пр з

... сш пш зш ош

спзо

K .

Σ +Σ +Σ +Σ

Σ+Σ+Σ+Σ

, (1.15)

где ,

. сш Σ . пш Σ ,

. зш Σ ,

. ош Σ – общее количество деталей по

группам, входящих в изделие, в штуках. Коэффициент всегда

больше единицы.

п K

Исключительное значение для решения проблемы автоматиза-

ции имеет комплексность разработки конструкции изделий и методы

их изготовления, т. е. технологичность.

Технологичность конструкций – это свойство отдельных де-

талей, сборочных единиц и изделия в целом, которое для данных усло-

вий завода, данного масштаба выпуска и данных тактико-технических

требований к изделию обеспечивает наиболее быстрое и экономичное

освоение его в производстве, а также рациональное его изготовление.

Специфика автоматизации требует особого конструктивного

оформления изделий, и эта задача решается в каждом конкретном слу-

чае самостоятельно. Ряд рекомендаций по технологичности изделий

(сборочных единиц, деталей) приведен в книге [15].

Для решения проблемы автоматизации не менее важное зна-

чение, особенно для серийного производства, имеет унификация тех-

нологических процессов.

Существует два направления унификации технологических

процессов: метод типизации процессов и метод групповой технологии

[11, 20].

22Особое значение для автоматизации имеет метод групповой

обработки, позволяющий в условиях серийного и мелкосерийного

производства широко использовать прогрессивные методы обработки

и сборки и их автоматизацию. Степень автоматизации и механизации

производственных процессов находится в тесной связи с формами их

организации.

Между уровнем техники производства и формами его орга-

низации существует органическое единство: совершенствование тех-

ники, прежде всего орудий труда, порождает новые формы организа-

ции производства, а появление последних создает предпосылки для

дальнейшего развития техники. Степень совершенствования организа-

ции производства зависит от того, насколько полно воплощены прин-

ципы специализации, пропорциональности, параллельности, прямо-

точности, непрерывности и ритмичности.

Приведенные предпосылки механизации и автоматизации по-

зволяют сделать следующие выводы:

1. Основой автоматизации является технологический процесс,

который должен быть прогрессивным; интенсификация технологичес-

ких процессов обработки и сборки позволяет резко повысить произво-

дительность и тем самым обеспечить внедрение новой техники.

2. Автоматизацию следует внедрять при всех типах произ-

водства, но способы осуществления, т. е. используемые орудия произ-

водства, организация производства, характер технологических реше-

ний (работа по индивидуальным или унифицированным процессам)

зависят от типа производства и определяются им.

3. Существенное значение в условиях серийного и мелкосе-

рийного производства имеет работа по унифицированным технологи-

ческим процессам (групповым и типовым).

4. Конструктивное оформление изделий (сборочных единиц,

деталей) должно учитывать возможность осуществления автоматизи-

рованного производства.

1.3. Производственный процесс и его элементы

Современное машиностроительное предприятие представляет

собой сложный комплекс, который должен обеспечивать бесперебой-

ное функционирование всех элементов производственного процесса

(рис. 1.5).

Производственный процесс в машиностроении состоит из трех

основных фаз: заготовительной, обработочной и сборочной.

23Рис. 1.5 – Структурная схема машиностроительного завода

Основной объем обработки выполняется в механических це-

хах, где заготовки, проходя механическую обработку, приобретают

необходимую конфигурацию, точность и чистоту. Процессы механи-

ческой обработки, начиная от черновых, обдирочных операций и кон-

чая чистовыми, окончательными, очень многообразны и могут выпол-

няться последовательно на многих станках в поточных или автомати-

ческих линиях. Между отдельными операциями механической обра-

ботки производится термообработка либо в специальных термических

цехах, либо на участках термической обработки соответствующих ме-

ханических цехов. В сборочных цехах готовые детали собирают в ме-

24ханизмы и узлы; они проходят контроль, общую сборку, окончатель-

ный контроль, испытания, упаковку, консервацию и т. д. Заготовки

основных деталей производят в заготовительных цехах: литейном,

кузнечном и т. д. Комплекс литейного производства включает в себя и

модельный цех.

Металл в кузнечно-штамповочные цеха поступает либо непос-

редственно с железнодорожных складов, либо из железозаготовитель-

ного цеха, где происходит раскрой листов, разрезка или рубка прутко-

вого материала на штучные заготовки и т. д.

Для поддержания нормального хода производственного про-

цесса существует целый ряд вспомогательных цехов: ремонтные, ин-

струментальные и т. д. В ремонтных цехах производится обычно капи-

тальный ремонт всего технологического оборудования, действующего

на заводе, а также его модернизация. Задачей инструментального цеха

является бесперебойное снабжение всех обрабатывающих цехов инст-

рументом, штампами, приспособлениями и т. д.

Как показывает схема (рис. 1.5), для нормального функциони-

рования производственного процесса нужна развитая система транс-

портирования и хранения заготовок, полуфабрикатов и готовых изде-

лий. Современное машиностроительное предприятие имеет развитую

систему грузопотоков, связывающих между собой различные цеха и

службы предприятия. Некоторые основные грузопотоки показаны на

рис. 1.5. Различают системы транспорта: межцехового – между от-

дельными цехами, внутрицехового – между участками и межстаночно-

го – между отдельными станками в пределах одного технологического

потока изготовления детали или узла.

Одной из характерных особенностей технического прогресса

на современном этапе развития является широкое внедрение автомати-

зации во все элементы производственного процесса предприятия.

До недавнего времени основным направлением автоматизации

в машиностроении была автоматизация технологических процессов

механической обработки: создание токарных, шлифовальных, фрезер-

ных автоматов и полуавтоматов, агрегатных станков и автоматических

линий из агрегатных станков и т. д. Такое направление в конечном

итоге приводит к созданию автоматизированных участков и цехов, что

позволяет резко сократить количество производственных рабочих,

непосредственно занятых обслуживанием станков.

В последние годы широко развернуты работы по автоматиза-

ции процессов контроля и сборки, созданию контрольных и сборочных

автоматов и автоматических линий для сборки. Автоматизация этих

процессов позволяет, в первую очередь, повысить качество изготов-

ляемых изделий, особенно в отраслях производства с большими мас-

25штабами выпуска (подшипники, электровакуумные приборы, радио-

элементы и т. д.). Кроме того, автоматизация контроля и сборки позво-

ляет устранить возникшую диспропорцию, когда на контроле и сборке

готовых изделий занято больше рабочих, чем на их изготовлении.

Большие перспективы имеет внедрение автоматизации в заго-

товительных цехах: литейном, кузнечном и др., что позволит не только

сократить трудоемкость заготовительных процессов, но и значительно

облегчить условия труда в горячих цехах. Это относится прежде всего

к литейным цехам, где автоматизируются процессы формовки, заливки

металла, остывания, выбивки отливок и возврата опок к формовочным

машинам. Решающая роль принадлежит автоматизации при внедрении

прогрессивных заготовок с минимальными припусками на механичес-

кую обработку. Как правило, все технологические процессы получения

прогрессивных заготовок методами профильного проката, холодной

штамповки и т. д. имеют высокую степень механизации и автоматизации.

Автоматизация все больше проникает во вспомогательные це-

ха (инструментальный, ремонтный и др.), продукция которых является

индивидуальной и серийной даже при массовом характере основного

производства. Развитие электроискровой обработки позволило решить

проблему автоматизированного изготовления штампов и других слож-

ных изделий. Станки с программным управлением эффективны и в

условиях серийного производства.

Автоматизация технологических процессов обработки и сбор-

ки приводит к значительному сокращению количества рабочих в ос-

новных цехах. В результате основная масса производственных рабо-

чих сосредотачивается не на основных процессах производства, а на

вспомогательных и обслуживающих. Так, например, в 1961 г. на заво-

де ЗИЛ на погрузочно-разгрузочных, складских и транспортных рабо-

тах было занято 31 % всех рабочих, на первом Государственном под-

шипниковом заводе – 34 %. Поэтому в последнее время автоматизация

все больше выходит за рамки автоматизации технологических процес-

сов обработки, охватывая все звенья производственного процесса, что

позволяет решать задачи автоматизации в комплексе, повышать эф-

фективность средств, вкладываемых в автоматизацию.

Высокоэффективными являются не только работы по механи-

зации и автоматизации погрузочно-разгрузочных работ. В равной сте-

пени это относится и к межцеховой и внутрицеховой транспортировке

изделий, накоплению и расходованию межоперационных заделов.

Для транспортировки изделий между цехами и участками все

большее применение получают различного типа конвейеры, в том чис-

ле конвейеры с автоматическим адресованием, с программным управ-

26лением. Все более сложными и совершенными становятся транспорти-

рующие системы автоматических линий, предусматривающие не толь-

ко межстаночную транспортировку, но и хранение заделов в автома-

тических магазинах-накопителях.

Важнейшей задачей является автоматизация управления пред-

приятием и, прежде всего, сбора и обработки текущей информации о

состоянии всех звеньев производственного процесса, системы учета и

оперативного планирования. Эта проблема решается при помощи ком-

пьютерной техники, которая решает не только арифметические, но и

логические задачи, рассчитывая оптимальные условия функциониро-

вания производственного процесса.

Таким образом, в настоящее время существуют технические

возможности автоматизации всех элементов производственного про-

цесса. Поэтому особенно актуальной сейчас становится проблема пра-

вильного определения очередности работ по автоматизации, исходя из

условий высокой их эффективности. Практика показывает, что чем

ниже техническая оснащенность данного звена производственного

процесса, тем больше резервы сокращений живого труда, тем эффек-

тивнее автоматизация.

Если ввести понятие коэффициента технической вооруженнос-

ти , показывающего, сколько техники приходится на каждого рабо-

чего (отношение ее стоимости к годовому фонду зарплаты), то такой

показатель будет иметь самые различные значения по различным

звеньям производственного процесса. Так, например, на автоматичес-

ких линиях величина находится в пределах 15…25, на поточных

линиях механической обработки – 1…3, а на погрузочно-разгрузочных

и складских работах – 0,01…0,1. Отсюда различный уровень эффек-

тивности работ по автоматизации.

Так, например, автоматическая линия средней сложности, внедря-

емая взамен поточной линии, окупается в лучшем случае через 2-3 года,

высвобождая 20-30 рабочих. Такое же количество рабочих можно выс-

вободить, применив на погрузочно-разгрузочных работах 2-3 автопо-

грузчика, стоимость которых в 30 – 40 раз ниже, чем автоматической

линии.

Успехи автоматизации в различных стадиях и звеньях произ-

водственного процесса создают условия для комплексной автоматиза-

ции производственных процессов.

Таким образом, этапы автоматизации производственного про-

цесса можно сформулировать следующим образом:

1) автоматизация рабочего цикла, когда создаются машины

автоматы;

272) автоматизация системы машин, приводящая к созданию ав-

томатических линий;

3) комплексная автоматизация производственных процессов,

позволяющая создавать автоматические цехи и заводы.

Вместе с тем, целесообразность и очередность проведения ав-

томатизации производственных процессов определяется следующими

показателями:

1. Экономической целесообразностью и эффективностью.

2. Достигаемой безопасностью работы и окружения.

3. Общим уровнем автоматизации.

1.4. Основные положения теории производительности

Автоматизация технологического оборудования, использую-

щая новейшие достижения вычислительной техники, автоматики, тео-

рии управления и др., обеспечивает технический прогресс и является

мощным рычагом для увеличения производительности труда. Однако

не всякое новое оборудование является экономически эффективным

для производства. Например, оснащение универсального металлоре-

жущего станка сравнительно несложным механизмом, автоматизи-

рующим рабочий ход, позволяет ввести многостаночное обслужива-

ние. Если один станочник будет обслуживать два станка, то получает-

ся экономия до 50 % зарплаты обслуживающего персонала (рис. 1.6).

Дальнейшая автоматизация универсального оборудования превратит

станки в автоматы, объединит их в поточную линию, а затем и в авто-

матическую. Переход от поточной линии к автоматической позволит,

например, увеличить количество станков Z, обслуживаемых одним

рабочим, с 50 до 100 шт., а эко-

номию по заработной плате при

этом получить всего лишь на

1 %. При всем этом потребуется

введение сложного дорогостоя-

щего комплекса автоматических

устройств (автоматический тран-

спорт, магазины-накопители, об-

щая система управления, кон-

трольные и блокировочные уст-

ройства и т. д.). Очевидно, что

второй вариант для условий не-

большого срока эксплуатации

будет нерентабельным, хотя ав-

Рис. 1.6 – Зависимость экономии

фонда заработной платы Δ

производственных рабочих от

числа станков Z, обслуживаемых

одним рабочим

28томатическая линия оснащена новейшим оборудованием. Таким обра-

зом, кроме технических требований новое оборудование должно отве-

чать определенным экономическим требованиям, поэтому для оценки

экономической эффективности необходим обобщенный критерий, свя-

зывающий технические характеристики машины с экономическими

требованиями.

Существует несколько точек зрения на то, какому общему

критерию должна отвечать новая техника. Одним из распространен-

ных критериев является срок окупаемости, который определяется при

сопоставлении капиталовложений и себестоимости выпускаемой про-

дукции с существующей. Этот критерий оценки экономической эф-

фективности лежит в основе методики, предложенной еще Госкомите-

том по науке и технике Совета Министров и Академией наук СССР.

Срок окупаемости новой техники:

KK n

CC н n

−

= ≤

−

, (1.16)

где и – соответственно капиталовложения на новую

автоматизированную и существующую машины в рублях; и –

себестоимость продукции, выпускаемой на новой и существующей

машинах, в рублях; – нормативное число лет (для каждой отрасли

свое), в течение которого должна окупиться новая машина.

2 K 1 K

2 C 1 C

н n

Если расчетный срок окупаемости меньше нормативного, то

автоматизация считается экономически эффективной и затраты на нее

целесообразными.

Применение рассмотренной выше методики возможно только

после изготовления в металле новых средств, когда становятся извест-

ными различные калькуляционные коэффициенты, входящие в форму-

лу срока окупаемости. Методика проста, так как для определения раз-

личных затрат используются имеющиеся таблицы и номограммы, и

дает хорошую количественную оценку сравниваемого варианта. Одна-

ко она не позволяет оценить, насколько удачно решена новая машина с

конструктивной и технологической точек зрения, удобна ли в эксплуа-

тации, экономична ли в работе и т. д. Ее нельзя использовать для

прогнозирования развития новых средств автоматизации.

Наиболее объективным критерием оценки новых средств ав-

томатизации является производительность труда

т П , которая опреде-

ляется отношением количества выпущенной продукции W (в штуках,

29единицах длины, объеме) в определенный интервал времени к трудо-

вым затратам на ее изготовление Т [17]:

W П

= . (1.17)

Количество выпущенной продукции зависит от времени экс-

плуатации техники и при неизменном годовом выпуске продукции Q

определяется выражением:

W NQ = , (1.18)

где N – календарное время эксплуатации в годах.

В трудовые затраты входят средства, затраченные на проекти-

рование и изготовление, транспортировку, установку и наладку обо-

рудования и оснастки, а также на постройку здания или сооружения,

где ее устанавливают. Эти средства расходуют до введения оборудо-

вания в эксплуатацию и они не зависят от длительности работы обору-

дования. Другая часть затрат включает расходы на заработную плату

обслуживающего персонала, а также затраты, связанные с покупкой и

эксплуатацией режущего и измерительного инструмента, ремонтом

оборудования, приобретением заготовок, затраты на энергию, вспомо-

гательные материалы, является переменной величиной и зависит от N.

Таким образом

( пож TT T Т N ) = ++ , (1.19)

где – единовременные затраты прошлого труда на оборудо-

вание, здание, сооружение и т. д.; – годовые текущие затраты прош-

лого труда на материалы, инструмент, ремонт, энергию и др.;

п T

о T

ж Т –

годовые текущие затраты живого труда, связанные с обслуживанием

машин.

Используя выражения (1.17), (1.18) и (1,19), получим

()

пож

NQ П

TT Т N

. (1.20)

Эта формула показывает, от каких затрат и в какой степени за-

висит производительность труда. Из формулы также видно, что в пе-

риод ввода в эксплуатацию (N близко к нулю) новая техника обеспе-

чивает низкий уровень производительности труда.

30Все затраты прошлого труда, текущие и единовременные, мо-

гут быть реализованы лишь через живой труд, поэтому чаще произво-

дительность выражают через затраты живого труда:

[(1)]

NQ П

Km NT

, (1.21)

где / пж К ТТ = характеризует степень технической вооружен-

ности производства; / ож m ТТ = учитывает издержки эксплуатации

оборудования.

Эта формула показывает, что с увеличением степени автома-

тизации количество людей, обслуживающих машину, уменьшается, а

количество создающих ее – возрастает. В этом заключается тенденция

развития техники.

Технико-экономическое сравнение различных вариантов ав-

томатизации осуществляется через соотношение их производительнос-

ти труда, которое принято называть коэффициентом роста производи-

тельности труда:

21 1 1 211 1 2

112 2 2122 2

[(1)] [(

жж

NQ K N m T Q T K N m П

П NQKNm T QTKNm

1)]

+ ++

λ= = =

+ ++ +

, (1.22)

где

2 П и

1 П – соответственно производительности труда по

новому и существующему вариантам.

Если ввести безразмерные коэффициенты:

2 / QQ1 ϕ = , коэф-

фициент роста производительности технологических машин;

1 / 2 ж ж T Т ε= – коэффициент, характеризующий сокращение живого

труда; – коэффициент, учитывающий изменение стоимо-

сти средств производства;

2 / пп ТТ σ= 1

1 2 / vv TT δϕ= – определяет изменение теку-

щих эксплуатационных затрат на единицу продукции, то подставляя

эти обозначения в формулу (1.22), выражая и , через и

и разделив числитель и знаменатель на ε, получим:

2 K 2 m 1 K 1 m

(1)

()

KNm

+ +

λ=ϕ

σ +δϕ+

. (1.23)

Из формулы (1.23) видно, что введение автоматизации во вто-

ром варианте потребовало увеличения числа людей, занятых в созда-

нии средств производства, в σ раз; людей, обеспечивающих эксплуа-

тацию машины, в δ раз, а количество рабочих, непосредственно заня-

тых обслуживанием машины, сократилось в ε раз. Увеличение роста

производительности труда достигается путем улучшения технико-

экономических показателей: повышения производительности машины

(ϕ), сокращения обслуживающего персонала (увеличение ε), снижения

стоимости средств производства (σ), уменьшения расхода инструмен-

та, энергии и т. д. на каждое изготовленное изделие.

На современном этапе развития техники, оснащенной средст-

вами автоматизации, характерным является рост производительности

средств производства (ϕ > 1), резкое сокращение числа людей, непо-

средственно обслуживающих эту технику (ε > 1), и увеличение общей

стоимости оборудования (σ > 1).

Основные пути повышения производительности труда при

автоматизации. Основные положения теории производительности

труда позволяют не только выявить влияние отдельных технико-

экономических показателей на увеличение производительности труда,

но и показать направления развития автоматизации, по которым долж-

на совершенствоваться техника. Главные из них следующие.

1. Увеличение производительности средств производства, т. е.

увеличение ϕ. Это достигается созданием машин непрерывного дейст-

вия, применением новых высокопроизводительных технологических

процессов и особенно таких, которые невозможны при ручном управ-

лении, с оптимальной дифференциацией и концентрацией технологи-

ческих процессов; созданием устройств, автоматизирующих рабочие и

холостые ходы, инструментов, позволяющих вести обработку на высо-

ких режимах резания; использованием многоинструментальных нала-

док, устройств для автоматической смены инструмента, средств ак-

тивного контроля, оргтехники, более современных орудий производ-

ства (паяльники, пистолеты для оплетки и вязки жгутов и кабелей,

монтажно-координатные столы в сборочных операциях, программные

устройства в контрольно-наладочных операциях) и др.

322. Уменьшение затрат живого труда за счет сокращения рабо-

чих, непосредственно обслуживающих машины, т. е. увеличения ε.

Это возможно за счет многостаночного обслуживания при автоматиза-

ции рабочих, холостых и вспомогательных операций, блокирования

машин в автоматические линии, за счет хорошей организации труда и

др. Однако автоматизация, позволяющая вводить многостаночное об-

служивание, имеет ограниченные возможности, что и отмечалось ра-

нее. Она оказывается более эффективной в отраслях производства с

малым значением , где велики затраты живого труда. K

3. Снижение стоимости средств производства, т. е. уменьше-

ние σ. Этот путь требует непрерывного совершенствования техноло-

гии изготовления средств производства, применения методов группо-

вой технологии, стандартизации и унификации механизмов, узлов и

деталей машин, обеспечивающих снижение их себестоимости. Харак-

терным для этого направления является агрегатное станкостроение,

поточные методы производства, унификация средств автоматизации.

Выбор оптимального варианта. С помощью теории произ-

водительности труда можно не только прогнозировать перспектив-

ность различных направлений автоматизации, но и осуществлять вы-

бор наиболее выгодного варианта автоматизации в зависимости от

конкретных условий его применения. Например, производство деталей

(сборочных единиц) машин можно выполнить на поточной линии либо

на многопозиционном станке, спроектированном для этой цели. Оба

варианта имеют свои преимущества и недостатки. Так, поточную ли-

нию из универсальных машин можно создать в более короткие сроки и

с малыми затратами, но для ее обслуживания потребуются значитель-

ные затраты ручного труда на загрузку и снятие заготовок, межстаноч-

ную транспортировку, контрольные операции, уборку стружки и т. д.

Многопозиционный станок обеспечит повышение производительности

труда и сокращение числа непосредственно обслуживающих его рабо-

чих, но потребует больших затрат на проектирование, изготовление и

отладку.

Только на основе комплексного учета всех технико-экономи-

ческих показателей (производительности ϕ, количества обслуживаю-

щих рабочих ε, стоимости σ и др.), а также сроков эксплуатации новой

техники можно выбрать оптимальный вариант. На рис. 1.7, а показаны

кривые, характеризующие производительность труда по первому и

второму вариантам, а также график коэффициента роста производи-

тельности труда сравниваемых вариантов в соответствии с формулой

(1.23). Если число лет эксплуатации меньше n, то многопозиционный

станок из-за большей стоимости невыгоден. В этих условиях произво-

33дительность труда

2 П на станке ниже, чем на поточной линии, коэф-

фициент λ здесь меньше единицы. При сроке эксплуатации с большим

п, невыгодной становится поточная линия. В этом случае многопози-

ционный станок с более высокой производительностью (ϕ > 1) и

меньшим количеством обслуживающих рабочих (ε > 1) имеет меньшие

эксплуатационные затраты, поэтому производительность труда на нем

становится более высокой и коэффициент роста производительности λ

будет больше единицы.

Рис. 1.7 – Рост производительности труда при

одновременном вводе в эксплуатацию средств

автоматизации (а) и при различных сроках ввода (б)

В рассматриваемом примере имелось в виду, что оба сравни-

ваемых варианта вводятся в эксплуатацию одновременно. Однако на

практике часто бывает не так. Более сложный многопозиционный ста-

нок требует на проектирование, изготовление и отладку больше вре-

мени, чем поточная линия, и вводится он в эксплуатацию, как правило,

позже на L лет. Следовательно, производительность труда на нем

()

[( )(1)] ж

QN L

KNLm T

−

+− + 2

, (1.24)

при этом рост производительности сравниваемых вариантов будет

11 1 2

12 2

[(1)]

[( )(1)]

() (1)

()

KNm T Q NL

QNKNLm T

NL KNm

N KNLm

+ + −

λ= ⋅ ⋅ =

+− +

−++

=ϕ ⋅

⎛⎞

σ+ − δϕ+ ⎜⎟

ε ⎝⎠

(1.25)

34Таким образом, приведенная ранее формула (1.23) является

частным случаем формулы (1.25) (при L = 0).

На рис. 1.7, б приведены графики изменения

2 П ,

1 П и

2 / 1 П П λ= , которые показывают, что к моменту ввода в эксплуата-

цию многопозиционного станка

2 П производительность поточной

линии составляет уже определенную величину (при N = L,

1 П > 0,

2 П = 0 и λ = 0). Таким образом, формула (1.25) показывает, что, чем

длиннее сроки освоения и ввода в эксплуатацию новой техники, тем

ниже производительность труда. Поэтому даже самый совершенный

многопозиционный станок, имеющий высокую производительность и

надежность в работе, который обслуживается минимальным количест-

вом рабочих, может оказаться невыгодным, если сроки ввода его в

эксплуатацию будут слишком длительными.

Если известны технико-экономические показатели ϕ, ε, σ, δ,

т и и срок ввода L, то можно по формуле (1.25) определить λ и

сделать заключение, является ли новый вариант машины прогрессив-

ным. Прогрессивной техника считается в том случае, если ее внедре-

ние в производство обеспечит коэффициент роста производительности

выше предусмотренного планом отрасли.

Производительность технологического оборудования. Ра-

бота любого технологического оборудования характеризуется перио-

дическим повторением в заданной последовательности рабочих и хо-

лостых ходов, т. е. повторением рабочего цикла. Период рабочего цик-

ла является важнейшим параметром, определяющим производитель-

ность оборудования.

Цикловая производительность технологического оборудова-

ния определяется количеством произведенной на нем продукции в

единицу времени:

црх

Т tt

шт/мин, (1.26)

где – цикловая производительность оборудования; –

продолжительность рабочего цикла;

ц Q ц Т

р t – время рабочих ходов (фор-

мообразование, сборка и т. д.);

х t – время холостых ходов (подготови-

тельные операции: транспортные, загрузочные, установочные, зажимные).

35Для машины, у которой отсутствуют холостые ходы или сов-

мещены с рабочими, производительность определяется длительностью

рабочих ходов и называется технологической:

k = = шт/мин, (1.27)

где k – технологическая производительность.

Технологическая производительность зависит от сложности

детали или сборочной единицы, метода и последовательности обра-

ботки (или сборки), режимов обработки, степени совмещения опера-

ций и т. д. Повышение технологической производительности является

важнейшим средством увеличения производительности машин и дос-

тигается путем интенсификации режимов обработки, дифференциро-

ванием и концентрированием технологических процессов, применени-

ем новых высокопроизводительных технологических процессов.

Анализ формулы цикловой производительности показывает,

что рост производительности машины предела не имеет, если одно-

временно с увеличением технологической производительности умень-

шать время холостых ходов. Время холостых ходов можно уменьшить

модернизацией оборудования путем оснащения его устройствами, ав-

томатизирующими загрузочные, установочные, транспортные опера-

ции и др.

Фактическая производительность и внецикловые потери.

Если проследить за работой оборудования в течение длительного пе-

риода времени, можно заметить, что оно не только выпускает продук-

цию, но и простаивает. Поэтому при определении фактической произ-

водительности нужно учитывать как время рабочих и холостых ходов,

так и все простои (потери), следовательно,

р хпрх i еопбпер

tt t tt С tt t t

++∑ ++∑++ ++

, (1.28)

где – фактическая производительность машины;

ф Q п t ∑ –

суммарные внецикловые потери;

х t – потери холостых ходов (потери

I вида – цикловые);

С ∑ – потери, связанные с эксплуатацией инст-

румента (II вида); – потери на ремонт и регулировку механизмов

машины (III вида); – потери на обслуживание и управление маши-

ны (IV вида); – потери, связанные с браком (V вида); – потери,

е t

. оп t

б t пер t

36идущие на переналадку машины при переходе с выпуска одного изде-

лия на другое (VI вида).

Простои технологических машин разделяют на собственные и

организационно-технические. К собственным простоям относят про-

стои, связанные с холостыми ходами, со сменой и подналадкой инст-

румента, с отказами механизмов (поломки, регулирование, загрязнение

механических, гидравлических, электрических устройств и др.). К ор-

ганизационно-техническим простоям относят простои из-за отсутствия

заготовок, электроэнергии, несвоевременного прихода или ухода об-

служивающих рабочих, остановки станков для очистки, уборки струж-

ки и т. д. Собственные простои присущи работе машин, поэтому,

вскрывая причины появления, их можно снизить, а организационно-

технические простои при надлежащей организации труда можно уст-

ранить вообще или свести к минимуму. Таким образом, фактическая

производительность получается меньше цикловой, так как учитывает

все внецикловые потери.

Рассматривая потери как движущие противоречия в развитии

техники, назовем основные проблемы комплексной автоматизации,

решение которых определяет перспективы ее развития.

Проблемы автоматизации.

1. Автоматизация холостых ходов. Решение этой проблемы

осуществляется двумя путями: модернизацией существующих машин,

у которых время

х t велико, путем оснащения их механизмами холос-

тых ходов, позволяющих уменьшить

х t , и созданием машин непре-

рывного действия, в которых осуществляется непрерывная обработка

или сборка. Машины непрерывного действия являются наиболее со-

вершенными, высокопроизводительными. Это машины роторного ти-

па, гайконарезные автоматы с гибким валом и др. Создание машин

непрерывного действия является в настоящее время перспективным.

Они особенно эффективны для технологических процессов с большим k.

2. Автоматизация смены и регулировки инструмента. Умень-

шение потерь II вида, связанных со сменой и регулировкой инстру-

мента, возможно путем применения более износостойкого материала

режущей части инструмента; быстросменных приспособлений для

крепления инструмента, позволяющих вести установку и регулировку

инструмента вне машины; высокопроизводительных устройств для

установки и регулировки инструмента (например, оптические устрой-

ства с экраном); автооператоров с магазином инструментов (по типу

устройств для автоматической смены инструмента, применяемых на

многооперационных станках).

373. Надежность. Все потенциальные возможности повышения

производительности, заложенные в машинах, можно реализовать тог-

да, когда все механизмы и устройства будут иметь высокую надеж-

ность в работе.

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции,

сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в

течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. В

данном случае под изделием понимается любая технологическая ма-

шина: станок, автомат, автоматическая линия и др.

Различают надежность срабатывания, связанную с отказом то-

го или иного механизма машины (деталь не зафиксировалась в рабочей

позиции, агрегатная головка не переключилась с рабочей подачи на

быстрый отвод и т. д.), и технологическую надежность, определяемую

стабильностью протекания процесса, нарушение которого происходит

вследствие износа трущихся поверхностей механизмов, колебаний

жесткости деталей, припусков на обработку, твердости обрабатывае-

мого материала и т. п. Причины, вызывающие нестабильность работы

механизмов, носят случайный характер. Поэтому основным направле-

нием решения этой проблемы является увеличение надежности как

отдельных элементов, так и всей машины путем увеличения точности

изготовления и чистоты поверхности сопрягаемых деталей, рацио-

нального подбора материала этих деталей и др. Более подробно вопро-

сы надежности рассмотрены в разделе 6.

4. Автоматизация управления производством. Одним из наи-

более эффективных направлений снижения потерь по организацион-

ным причинам является использование АСУП (автоматизированных

систем управления производством) и различных средств вычислитель-

ной техники, так как сложность и многообразие современных процес-

сов порождает большое количество информации. Задержка переработ-

ки этой информации без применения указанных средств приводит к

простоям машин из-за отсутствия заготовок, инструмента, вспомога-

тельных материалов и т. д.

Другим направлением сокращения организационных потерь

является автоматизация транспортировки, хранения готовой продук-

ции во всех звеньях производственного процесса. На транспортировке,

погрузочно-разгрузочных и складских работах затраты неавтоматизи-

рованного труда велики, поэтому здесь оказываются особенно эффек-

тивны различные автопогрузчики с программным управлением. В оп-

ределенной степени сокращение простоев из-за отсутствия заготовок

на автоматических линиях решает правильная установка бункеров-

накопителей.

385. Качество продукции. Проблема борьбы с браком и сниже-

ние простоев, связанных с ним, является одной из наиболее важных,

так как здесь имеется значительный резерв увеличения производи-

тельности. Применение средств для автоматического контроля, а так-

же различных подналадчиков, позволит повысить качество контроля и

высвободить значительный штат контролеров.

6. Мобильность. Особенно актуальна эта проблема примени-

тельно к условиям мелкосерийного производства, где быстрая сменяе-

мость объектов производства вызывает частую переналадку оборудо-

вания и при низкой мобильности его большие простои. Одним из на-

правлений решения этой проблемы является применение программных

устройств для управления работой технологического оборудования.

Задача создания высокопроизводительного оборудования заключается

в том, чтобы еще на стадии проектирования предусмотреть конструк-

тивные меры и технико-организационные мероприятия для предот-

вращения всех потерь.

1.5. Технологический процесс

автоматизированного производства

Создание любого автоматизированного оборудования начина-

ется с разработки технологического процесса. При этом решаются та-

кие задачи, как выбор методов обработки (сборки), последовательнос-

ти осуществления этих операций, разделения и концентрации (агрега-

тирования) их, выбора технологических баз, орудий труда (режущего,

измерительного инструмента), режимов резания (или сборки) и др.

Особенностью технологических процессов автоматизированного про-

изводства является их интенсификация, совмещение операций (сов-

мещение рабочих ходов с холостыми, холостых с холостыми), интен-

сификация режимов обработки, применение новых высокопроизводи-

тельных методов, невозможных при ручном управлении процессом.

Одним из наиболее перспективных направлений повышения

производительности машин при автоматизированном производстве

является агрегатирование, т. е. деление технологического процесса на

составные элементы и их концентрация в многопозиционных маши-

нах. Различают последовательное, параллельное и смешанное агрега-

тирование. Знание законов агрегатирования позволит правильно ре-

шить вопросы об оптимальном количестве позиций многопозиционной

машины и способе их объединения в зависимости от конкретных про-

изводственных условий (трудоемкости технологического процесса и

надежности оборудования).

39Последовательное агрегатирование применяют для сложных

технологических процессов с высокой трудоемкостью, для выполне-

ния которых используют различные инструменты. Рассмотрим произ-

водительность поточной линии, представляющей собой группу стан-

ков, расставленных в технологической последовательности, и произ-

водительность многопозиционной машины с последовательным рас-

положением позиций. Сопоставление производительности группы

станков и многопозиционной машины будем вести при следующих

допущениях: весь технологический процесс равномерно разбит на q

операций; в поточной линии работа каждого станка не зависит от дру-

гих, а в многопозиционном станке работа каждой позиции зависит

полностью от других; количество позиций в автоматической линии

равно числу станков поточной линии. Производительность одного

станка поточной линии (без учета потерь IV, V и VI видов)

ст

цп

Т t

+ Σ

, (1.29)

где – продолжительность рабочего цикла, =

ц Т ц Т р t +

х t ;

п t Σ – внецикловые потери, связанные с эксплуатацией инструмента и

оборудования,

п t Σ =

е t +

C Σ , здесь – потери, связанные с ремон-

том, – потери, связанные с инструментом.

е t

C Σ

Производительность поточной линии

1()

тр q

р i ox e o i

хе

Q t C qk t t k C tt

Σ + ++Σ

+++

, (1.30)

где – технологическая производительность до деления про-

цесса,

o k

Производительность многопозиционной машины

1( )

р ox e oi i

хе

Q t kqt qt qk C C tt q

+ ++Σ ⎛⎞ Σ

++ + ⎜⎟

⎝⎠

, (1.31)

40Эта зависимость показана на рис. 1.8, а.

а) б)

в)

Рис. 1.8 – Производительность

многопозиционных машин:

а – последовательного;

б – параллельного;

в – смешанного агрегатирования

В поточной линии дифференциация уменьшает рабочее время

р t и потери по инструменту, в многопозиционной машине внецикло-

вые потери увеличиваются в q раз. Последнее обстоятельство приво-

дит к тому, что с увеличением числа позиций производительность

q Q

сначала растет, затем падает за счет интенсивного увеличения внецик-

ловых потерь. Таким образом, при большом количестве позиций можно

получить многопозиционную машину с низкой производительностью.

Оптимальное количество позиций зависит от трудоемкости тех-

нологического процесса и сложности оборудования (его надежности):

опт

= , (1.32)

41Таким образом, для оборудования с высокой надежностью

число допустимых позиций будет больше. Этим положением широко

пользуются в практике автоматостроения. Так, многопозиционные

машины в полупроводниковом и электровакуумном машиностроении,

где условия работы более легкие, усилия и износ незначительны, име-

ют большое число позиций (24, 36, 48 и выше). В металлообработке –

наоборот: автоматы и полуавтоматы имеют лишь 4, 6, 8 позиций. Это

объясняется тяжелыми условиями работы (большие усилия, стружка,

повышенный износ).

Параллельное агрегатирование применяют для сравнительно

простых технологических процессов, имеющих низкую трудоемкость,

где дробление операций нецелесообразно. Время обработки детали на

одной позиции при параллельном агрегатировании не меняется. Про-

изводительность для многопозиционных машин с параллельным агре-

гатированием

o ) х oe i

kt pk t C

++ +Σ

, (1.33)

где р – число параллельно расположенных позиций.

Производительность группы независимо работающих машин

1( )

гр р

ox e o i

kt t k C

+ ++Σ

. (1.34)

График производительности машин параллельного действия

(рис. 1.8, б) показывает, что кривые не имеют минимума, а максималь-

ная производительность зависит лишь от внецикловых потерь, и она

тем больше, чем меньше потери.

Производительность машин параллельно-последовательного

действия (рис. 1.8, в)

ox o e i

pqk

qk t pqk qt C

++ +Σ )

, (1.35)

максимальное число позиций

max

pkt

= . (1.36)

42Смешанное агрегатирование сочетает в себе последователь-

ное и параллельное агрегатирование на различных участках. Проводя

анализ производительности по отдельным участкам, получаем общую

производительность для всей линии. Более подробно этот вопрос рас-

смотрен в [39].

Рассматривая значение автоматизации производства для всего

общества, можно сформулировать следующие её следствия:

1. Развитие автоматизации позволяет расширять механизацию

производства в самых разнообразных отраслях.

2. Внедрение различных автоматических машин и систем при-

водит к экономии человеческого труда, а, следовательно, и к повыше-

нию производительности производства.

3. Автоматизация производства ведет за собой изменение

структуры и организации производства с возможным изменением и

самого продукта производства.

4. Передача машинам интеллектуальных функций при реали-

зации автоматизации изменяет условия труда и требует повышения

квалификации всего производственного персонала.

5. Более высокая квалификация обслуживающего персонала,

сокращение малоквалифицированных рабочих приводят к социальным

изменениям в обществе, требуя более высокого образовательного

уровня всего общества и изменяя взаимоотношения между людьми.

Сегодняшнее разнообразие выпускаемой продукции, значи-

тельное её усложнение делают производственный процесс весьма раз-

ветвленным и многообразным, что иллюстрируется схемой рис. 1.9.

Объект Узел А

Узел В

Узел С

Дет. А

Дет. В

Дет. С

Проц. А

Проц. В

Проц. С

Опер. А

Опер. В

Опер. С

Рис. 1.9 – Схема разветвления производственного процесса

43Выпускаемое изделие или объект состоит из ряда узлов, каж-

дый из которых в свою очередь содержит определенное количество

деталей, и для каждой детали существуют свои процессы, операции,

переходы и т. д. Таким образом, современное предприятие обладает

огромным многообразием технологических процессов и требует для

их осуществления большого разнообразия оборудования. Однако каж-

дая рабочая машина ведет обработку в специально созданном месте,

называемом рабочей зоной станка или машины. Тогда, для выполне-

ния обработки заготовку необходимо подать в рабочую зону, а после

обработки ее необходимо удалить из рабочей зоны для повторения

рабочего процесса, что иллюстрируется схемой рис. 1.10.

Здесь необходимо выбрать заготовку, придать ей необходимое

положение в пространстве и в нужный момент времени поместить в

рабочую зону машины. По завершению обработки полученное изделие

следует освободить и передать в зону хранения или в следующую ма-

шину. Тогда этапы производственного процесса можно свести в при-

веденную таблицу 1.2.

Таблица 1.2

№ п/п Этап производственного процесса

1 Выделение (выбор) заготовки

2 Ориентирование заготовки

3 Подача заготовки в рабочую зону

4 Фиксация заготовки

5 Подвод инструмента

6 Обработка

7 Отвод инструмента

8 Расфиксация обработанной детали

9 Удаление обработанной детали из рабочей зоны

Передача обработанной детали в зону хранения или к дру-

гой машине

ЗАГОТОВКА ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЕ

Рис. 1.10 – Обобщенная схема рабочего процесса

44В процессе обработки или во время других действий, а также

дополнительно могут осуществляться контрольные операции, прове-

ряющие правильность выполнения рабочего процесса и осуществ-

ляющие необходимую коррекцию. Наиболее ответственным действием

является собственно обработка и, как указывалось выше, ей уже давно

уделяется большое внимание. Создано большое разнообразие автома-

тических машин, автоматизированных станков и приспособлений. В

металлообработке все большее распространение получают станки с

программным управлением – станки с ЧПУ, позволяющие одновре-

менно вести обработку разнообразных деталей. Автоматизация про-

цессов обработки с помощью станков-автоматов и станков с ЧПУ

является специальным разделом и здесь рассматриваться не будет.

Вместе с тем, при сегодняшних масштабах производства и

уровне автоматизации загрузка и разгрузка машин занимает уже су-

щественную часть рабочего цикла. Кроме того, при загрузке машин

приходится иметь дело с произвольным положением загружаемых за-

готовок, что существенно затрудняет выполнение этого действия. В

связи с этим рассмотрим вопросы автоматизации загрузки и разгрузки.

1 2 3 4 5 6 Наверх ↑