Структура построения автоматов и автоматических линий

Автомат (от греческого automatos — самодействующий) — это самостоятельно действующее устройство, выполняющее по заданной программе без участия человека, технологический процесс (получение, преобразование, передача и использование энер­гии, материала и информации). На ранней стадии автоматы представляли собой простейшие устройства, работа которых основывалась на принципах и методах классической механики.

Конструкция, схема и принцип работы каждого автомата определяются теми задачами, для выполнения которых он пред­назначен. Различают автоматы технологические (выполняющие определенную технологическую операцию), энергетические (обес­печивающие снабжение энергией), транспортные (используе­мые для изменения положения предметов в пространстве), счетно-решающие (выполняющие вычислительные операции) и др.

Устройство каждого автомата или автоматической линии определяется характером технологических процессов, выпол­няемых ими, и зависит от условий работы, требуемого уров­ня производительности и надежности.

Независимо от назначения структурная схема автомата содержит технологическую машину (установку), выполняющую производственную операцию, загру­зочное и разгрузочное устройства. Технологическая машина содержит один или несколько рабочих механизмов и приво­ды, обеспечивающие их работу. Кроме того, в состав автома­та в зависимости от выполняемых им функций может входить и зажимное устройство, фиксирующее обрабатываемое изделие.

Координирует работу всех составных частей схема управ­ления. Деление автоматов на перечисленные части можно счи­тать условным, так как многое определяется их конкретной конструкцией.

Несколько автоматов, связанных транспортным устройством образуют автоматическую линию.

Автоматической линией называется автоматически действующая система машин, расположенных в технологической последовательности и объединенных общими средствами транспортирования, управления, удаления отходов и др.

При этом транс­портное устройство в зависимости от конструкции может вы­полнять и функции накопителей, если, например, на транс­портной ленте размещается несколько изделий.

При проектировании автоматов и автоматических линий необходимо выбрать или разработать все вышеназванные ме­ханизмы и скомпоновать их воедино. Конструктор в первую очередь должен определить направление геометрической оси, принцип действия, скомпоновать все узлы, проработать кине­матические, гидравлические, пневматические и другие систе­мы, обеспечивающие выполнение автоматом его функций.

Геометрическою осью автомата называют ось, по отношению к которой координируют и компонуют все узлы. Она может быть вертикальной, горизонтальной или наклонной. Этим автоматы вы­годно отличаются от механизмов, создаваемых для ручного управ­ления, в которых машина должна быть приспособлена к возможно­стям управления ею человеком (система «человек — машина»).

Компоновочная схема определяет пространственное распо­ложение всех узлов автомата относительно геометрической оси и строится с учетом размещения загрузочных устройств (нако­пителей, питателей-отсекателей), разгрузочных механизмов, самой технологической машины, определенных площадей, их форм и схем взаимодействия с другими участками. На основе компо­новочной схемы строится конструктивная схема, которая объе­диняет между собой основные, вспомогательные механизмы, управляющие, исполнительные и распределительные элементы.

Выбор конструктивной схемы установки обычно начина­ют с анализа выполняемых ею операций и оценки условий работы. Как правило, изучают прототипы, которыми могут стать установки аналогичного назначения, на соседних пред­приятиях или описанные в технической литературе.

На основании результатов анализа создают структурную кинематическую схему автоматизируемой установки. В со­ответствии с требованиями ГОСТ 2.701-84 она должна от­ражать назначение и взаимосвязь основных функциональ­ных частей изделия. На ней допускается изображать отдель­ные части в виде прямоугольников или условных графичес­ких обозначений.

Если при дальнейшей разработке схемы управления пред­полагается использование смешанного типа управления или управления в функции пути, то на схеме указывают места расположения датчиков, контролирующих работу механиз­мов, положение обрабатываемого изделия или ход техноло­гического процесса. В описании работы установки указыва­ют назначение каждого из датчиков и порядок их срабаты­вания при автоматическом и ручном режимах управления, а также предусматривают установку датчиков, выполняющих защитные функции (предельные датчики) [1].

Приводы автоматов

В зависимости от назначения в любую установку могут входить несколько механизмов, выполняющих различные операции технологического процесса. Любой механизм состоит из рабочего органа и привода. Привод включает в себя двигатель и передачу.

Тип привода (гидравлический, пневматический, электрический или их сочетание) выбирают с учетом назначения и условий работы каждого механизма в отдельности и всей установки в целом. Обоснованием принимаемого решения может служить: необходимость обеспечения требуемого быстродействия; наличие на предприятии достаточных по мощности источников энергии и механизмов для ее использования.

Кроме того, следует учитывать и трудности, связанные с монтажом, демонтажем и эксплуатацией линий передач энергии и самих установок.

Например, предпочтение применению пневмоустановок зачастую диктуется наличием на пред­приятии развитой системы воздухопроводов, облегчающих подачу к механизмам сжатого воздуха, являющегося рабочей средой. Энергия рабочей среды преобразуется в механическую энергию движения рабочих органов машины с помощью поршневых исполнительных устройств, роторных устройств и устройств с упругими элементами.

Находит применение пневмопривод и в конструкциях промыш­ленных роботов грузоподъемностью до 20 кгс. Среди положитель­ных свойств пневмоприводов, используемых для этих целей, отме­чают: достаточное быстродействие, простота конструкции пневмоцилиндров и поворотных пневмодвигателей, возможность реа­лизации движений без применения сложных механических пере­дач и надежность в достаточно широком диапазоне температур

В вагоноремонтном производстве для привода различны» механизмов наиболее часто используют пневмоцилиндры, с по­мощью которых обеспечивается возвратно-поступательное или вращательное движение рабочего органа.

Одно из положительных качеств пневмопривода в том, что не нужны возвратные трубопроводы (отработанный воздух сбрасывается в атмосферу). Требования к его герметичности так­же не столь жестки, как в гидросистемах. Пневмоустройства при­менимы для работы во взрывоопасных, пожароопасных, запыленных средах, па них практически не влияют магнитные поля, три перегрузках они останавливаются без поломок. Накопление энергии обеспечивается установкой простых емкостей.

При этом приходится мириться с невысоким КПД силовой системы, не превышающим 30%, и невысокой скоростью пе­редачи сигнала управления (до 360 м/с). К недостаткам пнев­мопривода следует отнести также и наличие ударов в конце хода, трудно обеспечиваемые плавность перемещений и точ­ность остановки в любом положении. Их устранение требует применения специальных устройств (демпферов и др.).

Гидроприводы той же мощности могут иметь меньшие га­бариты по сравнению с пневмоприводами, благодаря исполь­зованию более высоких давлений рабочей среды (жидкости). Они обладают достаточно высокой и легко регулируемой плав­ностью перемещений и точностью остановки. У них отсутствуют удары в конце рабочего хода. Гидроприводы более экономич­ны (КПД до 70%), подобно пневмоприводам останавливают­ся без поломок в случае перегрузок. При использовании него­рючих жидкостей гидроприводы могут работать во взрыво­опасных средах, на их работоспособность не влияют магнит­ные поля. Скорость передачи управляющего сигнала в гид­росистеме достигает 1000 м/с.

Гидропривод применяют в конструкциях промышлен­ных роботов большой грузоподъемности (до 1000 кгс). В соче­тании с различными конструкциями механических передач в ПР его используют в виде гидроцилиндров с поступательным дви­жением штока, поворотных гидродвигателей и гидромоторов

Широкое распространение в производстве получил электромеханическийпривод. В качестве преобразователей электрической энергии в механическую чаще используют электрические машины. Наиболее надежен электромеханический привод, выполненный на базе асинхронного двигате­ля (АД).

К недостаткам АД следует отнести незначительное превы­шение пускового момента М_п над номинальным М_и (М_П/М_Н= = 1...2) и трудности в регулировании частоты вращения.

Чтобы плавно изменить частоту вращения рабочего меха­низма, можно использовать электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением, имеющие жесткую механичес­кую характеристику (частота вращения мало меняется с увели­чением нагрузки). Частоту вращения вала этих двигателей из­меняют или за счет уровня питающего напряжения или ослаб­лением поля (уменьшением магнитного потока). Двигатели по­стоянного тока специального изготовления (с плоскими и глад­кими роторами, с постоянными магнитами и др.) применяют в конструкциях ПР. Для их питания устанавливают транзистор­ные и тиристорные преобразователи питающего напряжения.

В исполнительных устройствах автоматов достаточно часто используется электромагнитный привод, выполненный на основе электромагнита постоянного тока. Широкое применение механизмов с электроприводами на про­изводстве объясняется и наличием на каждом предприятии разви­той электросети. Кроме того, следует учитывать, что электропри­вод обладает более высоким КПД (до 90%) по сравнению с пневмо- и гидроприводами. К тому же в электросетях меньшие потери энергии при передаче, они характеризуются высокой скоростью передачи сигнала управления (порядка 300000 км/с). Последнее делает предпочтительным использование электрических схем уп­равления для пневмо- и гидроприводов.