Файл: В.А. Полетаев Ориентация (Часть2).pdf

Министерство образования Российской Федерации Кузбасский государственный технический университет Кафедра гибких автоматизированных производственных систем

ОРИЕНТАЦИЯ (ЧАСТЬ 2)

Методические указания для студентов направления подготовки 550200 "Автоматизация и управление" и специальности 210200

"Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении)"

Составитель В.А.Полетаев

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 2 от 24.09.01

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 550200 Протокол № 51 от 08.10.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

1. ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ "АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ

(В МАШИНОСТРОЕНИИ)"

1.1. История развития машиностроения

История развития машиностроения показывает, что темпы технического прогресса непрерывно возрастают, сокращается время от появления технической идеи до ее реализации, от изобретения до широкого применения технических средств.

Рост темпов технического прогресса можно проследить, рассматривая, например, историю развития такой отрасли машиностроения, как судостроение. Все суда древности были гребными и двигались при помощи весел. В средние века (XIII—XIV вв.) на смену гребным судам пришли парусные суда, которые господствовали на морях до XIX в.

В1807 г. первый пароход "Клермонт" прошел рейс из Нью-Йорка до Олбани и обратно. В 1897 г. англичане построили первые турбинные миноносцы. В 1907 г. был построен в России первый теплоход "Вандал". Расход нефти на теплоходах был в 5 раз меньше, чем на пароходах.

В1959 г. в СССР был построен первый в мире атомоход-ледокол "Ленин".

Таким образом, гребные суда господствовали на морях на протяжении нескольких тысяч лет, а парусные — несколько сот. За последние 160 лет в судостроении наблюдается постройка пароходов с паровой машиной и турбиной, теплоходов, дизель-электроходов и, наконец, атомоходов.

Рост темпов технического прогресса можно проиллюстрировать также следующими примерами: с момента открытия электрического тока (Гальвани) в конце XVIII в. до создания первой электростанции прошло около века. В 1942 г. был создан первый маломощный атомный реактор Ферми. Прошло только 12 лет до пуска в СССР первой атомной электростанции (1954 г.). Если идея создания телефона была сформулирована в 1820 г., а осуществлена в опытном образце через 56 лет, то радио проделало этот путь за 35, радар — за 15, телевизор — за 14, лазер — за 9, транзистор — за 5 лет.

Особенно интенсивными были темпы освоения воздушного и космического пространства. Путь от первого самолета, поднявшегося

2

на 30 м, до космического корабля человечество проделало за полвека. Изумленное человечество 4 октября 1957 г. услышало о том, что на орбиту вокруг Земли выведен с советского космодрома первый искусственный спутник Земли. Затем в космическом календаре Советского Союза золотыми буквами были вписаны такие славные события, как первый человек — Юрий Гагарин — в космосе, полет первой женщи- ны-космонавта, первый многоместный космический корабль, групповой полет двух кораблей, выход человека в космическое пространство, посадка космических аппаратов на Луне и Венере, облет Луны непилотируемыми космическими кораблями, эксперименты по созданию орбитальных станций с кораблями "Союз", запуск и успешная работа автоматически управляемой станции на Луне — "Луноход-1" и "Луноход- 2". Триумф в освоении космического пространства – высадка на Луну американских астронавтов — и все это было сделано менее чем за 20 лет.

Конструкции машин непрерывно совершенствуются. Замена машин новыми чаще всего происходит потому, что обеспечивается большая экономичность, производительность, улучшаются условия труда.

Так, в 1814 г. был создан первый паровоз, который усердно служил человечеству 150 лет. В 1955 г. производство паровозов в Советском Союзе было полностью прекращено. Паровоз оказался менее экономичным, чем электровоз и тепловоз.

Путь прогресса в машиностроении включает также непрерывное расширение производства машин, работающих при высоких скоростях, нагрузках, давлениях и температурах. Стремительный, неуклонный рост скоростей наблюдается в любой отрасли машиностроения. Изменение максимальной скорости серийных автомобилей за последние годы характеризуется следующими цифрами:

Еще более разительные результаты у авиастроителей. Если самолеты братьев Райт в 1906 г. имели скорость 60 км/ч, то реактивный пассажирский самолет ТУ-104 в 1955 г. — около 1000 км/ч, а самолет ТУ-144, совершивший первые полеты в 1968 г., — 2500 км/ч.

Наряду с быстроходностью возрастает мощность машин. Рост энерговооруженности труда является необходимым условием повыше-

3

ния его производительности. До XVIII в. человек, как правило, сам приводил в движение орудия труда либо использовал животных, маломощные водяные колеса. Появление паровых машин, турбин, двигателей внутреннего сгорания, электроэнергии дало человечеству неограниченные мощности, позволило создавать высокопроизводительные мощные машины, такие как шагающие экскаваторы, турбины, подъемные краны и др.

Сцелью повышения производительности труда, обеспечения необходимых условий для интенсивного протекания процессов, осуществляющихся в машине, инженеры идут по пути увеличения таких параметров, как давление, температура и др. Например, аппаратура для син-

теза алмазов обеспечивает температуру более 2000° и давление порядка

60000 кг/см 2.

При решении некоторых технических задач машиностроители используют также низкие температуры, высокие степени разрежения.

Сразвитием техники машины становятся все более сложными, увеличивается число деталей как с механическими элементами (валами, зубчатыми колесами, рычагами и др.), так и с гидравлическими, пневматическими, электрическими и электронными элементами. Возрастают требования к быстроте управления машинами, их надежности и долговечности. Однако физиологические особенности человека ограничивают скорость реакции. Эксперименты показывают, что время реакции человека колеблется от 0,1 до 1,5 с. При ручном управлении это во многих случаях является недостаточным. Поэтому актуальной становится задача автоматизации процессов управления с помощью быстродействующих электронных устройств, обладающих скоростью реакции неизмеримо большей, чем реакция человека.

Например, в авиации увеличение скорости и высоты полета самолетов потребовало полной автоматизации основных функций управления. Это привело к расширению применения электронной аппаратуры,

аследовательно, и к увеличению количества деталей в ней. Если на самолетах выпуска 1940—1945 гг. применялась электронная аппаратура, состоящая из 1000—2000 деталей, то сейчас их число превышает 100000. Для сравнения заметим, что приемник А.С.Попова состоял из десятка радиодеталей. Поэтому на первый план выдвигается проблема надежности, так как с увеличением числа элементов требования к надежности каждого из них сильно возрастают.

4

Несмотря на большое разнообразие применяемых машин, они состоят зачастую из деталей и узлов, имеющих принципиально одинаковое значение, которые целесообразно оформлять в виде стандартных элементов. Стандартизация заключается в сведении большого количества различных типов и размеров одноименных деталей к целесообразно ограниченному их числу, что обусловливает возможность организации массового производства стандартизованных деталей наиболее прогрессивными методами. Стандартизация технических условий и методов испытания деталей машин способствует улучшению их качества, повышению работоспособности и долговечности. Применение стандартных деталей и узлов сокращает сроки и трудоемкость освоения новых машин, облегчает эксплуатацию машин, упрощает ремонт, поскольку непригодные стандартные детали легко заменяются.

История техники убедительно показывает, что, наряду с развитием конструкции машин, непрерывно совершенствуются и способы их изготовления, создаются новые процессы обработки, соответствующее оборудование, меняются формы организации производства.

Первыми орудиями труда, используемыми человеком, были каменные орудия. Они были хрупкими, часто ломались, а расширявшаяся производственная деятельность людей требовала более прочных орудий. В 3-1 тысячелетии до н.э. на смену камню пришли медь и олово, а затем выплавляемая из них бронза.

Орудия, изготовленные из бронзы, были прочными, но им недоставало твердости и остроты каменного орудия. Поэтому орудия из бронзы не могли вытеснить каменные.

Развитие техники требовало создания такого материала, который сочетал бы в себе прочность бронзы и твердость камня. Таким материалом явилось железо. "Железо, — писал Ф.Энгельс, — сделало возможным полеводство на более крупных площадях, расчистку под пашню широких лесных пространств; оно дало ремесленнику орудия такой твердости и остроты, которым не мог противостоять ни один камень, ни один из других известных тогда металлов. Все это не сразу; первое железо бывало часто еще мягче бронзы. Каменное оружие поэтому, исчезало лишь медленно; не только в "Песне о Хильдебранде", но и при Гастингсе в 1066 г. в бою пускались еще в ход каменные топоры. Но прогресс продолжался теперь неудержимо, с меньшими перерывами и быстрее".

5

Дальнейшее развитие орудий в этот период тормозилось тем, что в распоряжении человека не было мощной двигательной силы.

Природные энергетические ресурсы (вода, ветер) имели незначительное применение. Замена мускульной силы человека и животных энергией воды и ветра, широкое применение в качестве двигателя водяного и ветряного колес приходится в основном на период феодализма. Сила воды и ветра стала применяться на лесопилках, в пушечных и ружейных мастерских, для привода мельниц, откачки воды из рудников, подъема руды из шахт и др.

Всредние века производство продукции было искусством отдельных ремесленников, мастеров. Каждый рабочий должен был уметь делать все операции, связанные с продукцией его цеха. Все технические знания они держали в тайне. На поисках этих тайн и покоилась сила средневекового ремесленного труда. На смену ремесленному производству пришел мануфактурный период. Он ознаменовался тем, что производство было разделено на ряд операций и каждая операция выполнялась особым рабочим. Это привело к соответствующей дифференциации орудий труда и приспособлению их к определенным операциям мануфактурного производства.

Кначалу XVIII в. на Тульском оружейном заводе уже было развитое разделение труда, при котором отдельные операции ручного ремесленного труда выделялись как самостоятельные и выполнялись отдельными рабочими. Совокупно труд частичных рабочих давал готовое изделие — ружье.

В1715 г. в производственном процессе изготовления ружья участвовали мастера 13-ти специальностей. Мастера ствольного дела состояли из заварщиков, которые изготовляли черновую заготовку ствола (заваривали ствол); отдельщиков, которые отделывали ствол, растачивали его канал по заданному калибру, производили наружную отделку; присетчиков, которые присекали к стволу ушки для крепления с ложей и прицельные приспособления. Другая группа мастеров занималась изготовлением ружейных замков, часть из них специализировалась на изготовлении черновых заготовок частей замка, а другие занимались отделкой заготовок и сборкой. Группа мастеров специализировалась на изготовлении штыков — это ковщики, точильщики, присадчики и отдельщики. Сборкой всех частей ружья занимались ложевые мастера.

ВXVIII в. Тульский оружейный завод представлял собой крупнейшую не только в России, но и в Европе мануфактуру с большим

6

числом занятых на ней мастеров и крупным объемом выпускаемой продукции. Достаточно отметить, что в 1757 г. на заводе работало около 2000 рабочих, которыми за год было изготовлено 20000 ружей.

Дифференциация производственного процесса при мануфактурном производстве на отдельные операции способствовала упрощению и специализации инструментов, созданию и применению станков. Например, в оружейной технике на Тульском оружейном заводе в первую очередь стали механизироваться такие операции, как рассверливание канала ствола, наружная обточка, обточка штыков и штыковых трубок. Такие станки были построены в Туле мастерами Сидоровым (1712 г.), Батищевым (1714 г.) и др. На станке Батищева можно было обточить 16 стволов в сутки вместо двух при ручной работе. Однако число мастеров, обслуживающих станки, не превышало 10 % от общего числа рабочих.

В этот период станки были сравнительно простыми. Использовались главным образом сверлильные и токарные станки.

Режущий инструмент (резцы) при работе, как правило, удерживался руками. Работа на таких станках требовала большого мастерства и физической силы и не обеспечивала высокой точности обработки и производительности труда.

Переход к машинной индустрии, изобретение новых рабочих машин, а также все увеличивающееся их производство привели к бурному развитию металлорежущих станков и инструментов.

Огромные возможности, открывшиеся перед промышленностью с введением рабочих машин и универсального двигателя, могли реализоваться лишь постольку, поскольку машиностроение было способно поставлять всем отраслям промышленности специальные машины и притом в больших количествах.

Между тем техника изготовления машин, существовавшая в середине XVIII в., даже в наиболее передовых странах была ручной, унаследованной от мануфактурного периода. Машины производились медленно, в небольших количествах и обходились крайне дорого.

Ручной труд не мог разрешить многих технических задач, которые стали возникать в машиностроении, при возрастающей сложности машин, увеличении их мощностей и точности работы механизмов.

Основным техническим средством тогда при обработке металлов был ручной токарный станок, при работе на котором рабочий держал

7

резец в руках и перемещал его в направлении, соответствующем форме обрабатываемой поверхности.

Поэтому на станке необходимо было иметь механизм, который держал бы резец и заменил таким образом руку человека при осуществлении процесса резания. Таким механизмом явился суппорт токарного станка.

В России токарные станки с суппортом были построены А.К.Нартовым (1693—1756). Однако в то время ни в России, ни на Западе не было еще острой потребности в усовершенствовании техники машиностроения.

Станки Нартов изготовлял в единичных экземплярах, и поэтому они не могли оказать большого влияния на практическое развитие токарного дела.

Начало изменению техники изготовления машин положил английский механик Генри Модсли. В 1794 г. Модсли построил работоспособный токарный станок на чугунной станине с самоходным суппортом, а в 1797 г. — токарно-винторезный станок со сменным ходовым винтом. Основная особенность их состояла в том, что инструмент (резец) стал частью машины. Его зажимали в суппорте, который и воспроизводил необходимые рабочие движения, ранее выполнявшиеся вручную. Это позволило производить обработку всевозможных деталей машин легко, точно и быстро.

Токарно-винторезный станок Модсли оказался незаменимой машиной в любой токарной работе, что позволило быстро и в необходимых количествах выпускать машины для всех отраслей промышленности и транспорта.

Внедрение станков и машинных инструментов позволило вывести мощность орудий труда далеко за пределы физических возможностей человека. Если ранее рабочий-ремесленник держал инструмент в руках и не мог в силу физических особенностей развивать большие усилия, то применение машин сняло эти ограничения. Это позволило резко поднять мощности станков и обеспечить рост производительности труда. Примером могут служить тяжелые токарные станки, резцы которых могут снимать стружку сечением до 120 мм2, что соответствует нагрузке на резец порядка 15-20 тс. Сечение державки такого резца доходит до 80 х 100 мм, а длина — до 800 мм. Изготовляются протяжные станки с тяговым усилием 100 тс, карусельные станки высотой с трехэтажный дом и др.