Автоматизированный комплекс для сварки и закалки толстостенных заготовок
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ПЕРЕДОВЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ И РЕШЕНИЙ 9
1.1 Роботизированная сварочная ячейка Flex Arc 250K 9
1.2 Роботизированные сварочные ячейки PerformArc 12
1.3 Роботизированные комплексы группы компаний «Контур» 16
Выводы по разделу один 20
2 ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ 21
2.1 Анализ исходных данных 21
2.2 Обоснование необходимости автоматизации процесса 26
2.3 Постановка задачи и выбор методов решения 27
2.4 Описание автоматизированного комплекса 35
2.5 Описание структурной схемы системы управления комплексом 37
2.6 Выбор управляющего контроллера 39
2.7 Описание принципиальной схемы микропроцессорной системы
управления 43
2.8 Описание принципиальной схемы системы управления
нагревательным элементом 48
2.9 Расчет и выбор шагового двигателя привода подачи горелки 51
2.10 Выбор схемы управления шаговыми двигателями 54
2.11 Выбор частотного преобразователя 61
2.12 Выбор силовых ключей 65
2.13 Выбор датчика температуры 68
2.14 Выбор датчика расхода аргона 69
2.15 Выбор датчиков линейно-угловых перемещений 70
2.16 Описание блок-схемы алгоритма работы комплекса 71
2.17 Расчет параметров электропривода сварочного манипулятора 72
Выводы по разделу два 79
3 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 81
3.1 Исходные данные для расчета экономического эффекта от автоматизации 81
Расчет затрат на проведение автоматизации 84
3.2.1 Расчет заработной платы, участвующих в проведении
автоматизации, с отчислениями 84
3.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для автоматизации
оборудования 84
3.2.3 Расчет прочих расходов на автоматизацию оборудование 85
3.2.4 Расчет суммарных затрат на автоматизацию оборудования 85
3.3 Расчет экономического эффекта от проведения автоматизации 86
3.3.1 Расчет изменения трудоемкости 86
3.3.2 Расчет необходимого количества оборудования и его загрузки... 86
3.3.3 Расчет годовой производительности единицы оборудования и ее
изменения 88
3.3.4 Расчет капитальных вложений 89
3.3.5 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий 89
3.3.6 Расчет амортизационных отчислений 90
3.3.7 Расчет годовых затрат на текущий ремонт, содержание здания,
инструмент 91
3.3.8 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий,
штучной технологической себестоимости, экономии от снижения себестоимости 92
Выводы по разделу три 95
4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
4.1 Обеспечение безопасных условий труда на автоматизированном
Участке 96
4.1.1 Конструктивные особенности установки 96
4.1.2 Электробезопасность 96
4.1.3 Уровень шума 97
4.1.4Уровни вибрации 97
4.1.5 Пожаробезопасность 97
4.1.6 Освещенность рабочего места 97
4.1.7 Микроклимат рабочего места 97
4.1.8 Автоматика управления и безопасности установки 98
4.1.9 Обязанности обслуживающего персонала 98
3.2 Расчет затрат на проведение автоматизации 84
3.2.1 Расчет заработной платы, участвующих в проведении
автоматизации, с отчислениями 84
3.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для автоматизации
оборудования 84
3.2.3 Расчет прочих расходов на автоматизацию оборудование 85
3.2.4 Расчет суммарных затрат на автоматизацию оборудования 85
3.3 Расчет экономического эффекта от проведения автоматизации 86
3.3.1 Расчет изменения трудоемкости 86
3.3.2 Расчет необходимого количества оборудования и его загрузки... 86
3.3.3 Расчет годовой производительности единицы оборудования и ее
изменения 88
3.3.4 Расчет капитальных вложений 89
3.3.5 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий 89
3.3.6 Расчет амортизационных отчислений 90
3.3.7 Расчет годовых затрат на текущий ремонт, содержание здания,
инструмент 91
3.3.8 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий,
штучной технологической себестоимости, экономии от снижения себестоимости 92
Выводы по разделу три 95
4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
4.1 Обеспечение безопасных условий труда на автоматизированном
Участке 96
4.1.1 Конструктивные особенности установки 96
4.1.2 Электробезопасность 96
4.1.3 Уровень шума 97
4.1.4Уровни вибрации 97
4.1.5 Пожаробезопасность 97
4.1.6 Освещенность рабочего места 97
4.1.7 Микроклимат рабочего места 97
4.1.8 Автоматика управления и безопасности установки 98
4.1.9 Обязанности обслуживающего персонала 98
4.2 Расчет общего освещения 98
4.3 Классификация, причины возникновения и характеристика
чрезвычайных ситуаций 103
4.3.1. Причины возникновения и характеристика чрезвычайных ситуаций 103
4.3.2 Классификация чрезвычайных ситуаций 104
Выводы по разделу четыре 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 109
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СРАВНЕНИЕ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ПЕРЕДОВЫХ ЗАРУБЕЖНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ И РЕШЕНИЙ 9
1.1 Роботизированная сварочная ячейка Flex Arc 250K 9
1.2 Роботизированные сварочные ячейки PerformArc 12
1.3 Роботизированные комплексы группы компаний «Контур» 16
Выводы по разделу один 20
2 ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ 21
2.1 Анализ исходных данных 21
2.2 Обоснование необходимости автоматизации процесса 26
2.3 Постановка задачи и выбор методов решения 27
2.4 Описание автоматизированного комплекса 35
2.5 Описание структурной схемы системы управления комплексом 37
2.6 Выбор управляющего контроллера 39
2.7 Описание принципиальной схемы микропроцессорной системы
управления 43
2.8 Описание принципиальной схемы системы управления
нагревательным элементом 48
2.9 Расчет и выбор шагового двигателя привода подачи горелки 51
2.10 Выбор схемы управления шаговыми двигателями 54
2.11 Выбор частотного преобразователя 61
2.12 Выбор силовых ключей 65
2.13 Выбор датчика температуры 68
2.14 Выбор датчика расхода аргона 69
2.15 Выбор датчиков линейно-угловых перемещений 70
2.16 Описание блок-схемы алгоритма работы комплекса 71
2.17 Расчет параметров электропривода сварочного манипулятора 72
Выводы по разделу два 79
3 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 81
3.1 Исходные данные для расчета экономического эффекта от автоматизации 81
Расчет затрат на проведение автоматизации 84
3.2.1 Расчет заработной платы, участвующих в проведении
автоматизации, с отчислениями 84
3.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для автоматизации
оборудования 84
3.2.3 Расчет прочих расходов на автоматизацию оборудование 85
3.2.4 Расчет суммарных затрат на автоматизацию оборудования 85
3.3 Расчет экономического эффекта от проведения автоматизации 86
3.3.1 Расчет изменения трудоемкости 86
3.3.2 Расчет необходимого количества оборудования и его загрузки... 86
3.3.3 Расчет годовой производительности единицы оборудования и ее
изменения 88
3.3.4 Расчет капитальных вложений 89
3.3.5 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий 89
3.3.6 Расчет амортизационных отчислений 90
3.3.7 Расчет годовых затрат на текущий ремонт, содержание здания,
инструмент 91
3.3.8 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий,
штучной технологической себестоимости, экономии от снижения себестоимости 92
Выводы по разделу три 95
4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
4.1 Обеспечение безопасных условий труда на автоматизированном
Участке 96
4.1.1 Конструктивные особенности установки 96
4.1.2 Электробезопасность 96
4.1.3 Уровень шума 97
4.1.4Уровни вибрации 97
4.1.5 Пожаробезопасность 97
4.1.6 Освещенность рабочего места 97
4.1.7 Микроклимат рабочего места 97
4.1.8 Автоматика управления и безопасности установки 98
4.1.9 Обязанности обслуживающего персонала 98
3.2 Расчет затрат на проведение автоматизации 84
3.2.1 Расчет заработной платы, участвующих в проведении
автоматизации, с отчислениями 84
3.2.2 Расчет затрат на комплектующие изделия для автоматизации
оборудования 84
3.2.3 Расчет прочих расходов на автоматизацию оборудование 85
3.2.4 Расчет суммарных затрат на автоматизацию оборудования 85
3.3 Расчет экономического эффекта от проведения автоматизации 86
3.3.1 Расчет изменения трудоемкости 86
3.3.2 Расчет необходимого количества оборудования и его загрузки... 86
3.3.3 Расчет годовой производительности единицы оборудования и ее
изменения 88
3.3.4 Расчет капитальных вложений 89
3.3.5 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий 89
3.3.6 Расчет амортизационных отчислений 90
3.3.7 Расчет годовых затрат на текущий ремонт, содержание здания,
инструмент 91
3.3.8 Расчет технологической себестоимости годового выпуска изделий,
штучной технологической себестоимости, экономии от снижения себестоимости 92
Выводы по разделу три 95
4 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 93
4.1 Обеспечение безопасных условий труда на автоматизированном
Участке 96
4.1.1 Конструктивные особенности установки 96
4.1.2 Электробезопасность 96
4.1.3 Уровень шума 97
4.1.4Уровни вибрации 97
4.1.5 Пожаробезопасность 97
4.1.6 Освещенность рабочего места 97
4.1.7 Микроклимат рабочего места 97
4.1.8 Автоматика управления и безопасности установки 98
4.1.9 Обязанности обслуживающего персонала 98
4.2 Расчет общего освещения 98
4.3 Классификация, причины возникновения и характеристика
чрезвычайных ситуаций 103
4.3.1. Причины возникновения и характеристика чрезвычайных ситуаций 103
4.3.2 Классификация чрезвычайных ситуаций 104
Выводы по разделу четыре 107
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 109
Анализ применяемого оборудования в серийном производстве сварных конструкций показывает, что большая часть его не унифицирована и не типизирована, а многое из типажного должно уточняться и совершенствоваться.
При мелкосерийном производстве в сборочно-сварочных отделениях наряду с мостовыми кранами все более широкое применение получают автономные грузоподъемные средства (консольные и полупортальные краны, кран-балки, поворотные консоли с тельферами и т. п.), оборудованные быстродействующими захватами и выносными пультами, обслуживаемыми не крановщиками и стропальщиками, а рабочими основного производства. Автономные грузо- подъемные средства широко применяются на Уралмашзаводе, Ждановском заводе тяжелого машиностроения, заводах дорожного машиностроения и др.
При серийном производстве, организованном на ряде вагоностроительных и машиностроительных заводов, детали для сварных конструкций, как правило, изготовляются на специализированных по обрабатываемому прокату (тонких и толстых листов, двутавров, а также гнутых профилей) высокомеханизированных линиях. В этом случае прокат автоматически поступает как на линию, так и к оборудованию для его обработки. Готовые детали также автоматически снимаются с линии и складируются в контейнеры или поддоны. При серийном производстве широко применяют безразмерную резку проката. Применяют также машины и прессы для штамповки деталей и гибки проката, которые вместе с оснасткой для выполнения транспортных и других операций представляют собой автоматические и полуавтоматические агрегаты с переналаживаемой оснасткой. При сравнительно больших партиях одинаковых деталей их складируют теми же способами, что и при мелкосерийном производстве.
Особое место в серийном производстве занимают высокомеханизированные и автоматизированные переналаживаемые линии, предназначенные для изготовления определенных, но незначительно отличающихся по форме и размерам сварных конструкций. В таких линиях сборочные и сварочные установки переналаживают за счет изменения положения основных узлов на станинах этих установок в период подготовки линии к изготовлению новой сварной конструкции. Оборудование переналаживаемых линий конструктивно не изменяется. Поэтому основные узлы сборочных (базы, фиксаторы, прижимы, и т. п.) и сварочных (автоматы и рельсовые их пути) установок, а также вспомогательное оборудование для выполнения подъемно-транспортных операций и системы автоматизации этих линий могут быть высокопроизводительными и выполнять технологические операции с высоким уровнем механизации и автоматизации.
В связи с возможным изменением серийно изготовляемых конструкций на переналаживаемых сборочно-сварочных линиях оборудование этих линий должно быть не только высоко производительным, но и обеспечивать изготовление однотипных конструкций во всем их диапазоне размеров, для которых предназначена линия. Достигнуть этого можно при создании конструктивно неизменного, но механически переналаживаемого оборудования, а также оборудования, работающего по предварительно составленным программам. К механически переналаживаемому относится оборудование для выполнения сборочных операций и некоторое оборудование для загрузки соответственно деталей и готовых сварных узлов, а также автоматы для сварки длинномерных швов. Это оборудование, как правило, специализировано, состоит из унифицированных узлов и предназначается для изготовления определенных конструкций. К програмно переналаживаемому оборудованию относятся позиционеры для загрузки деталей и съема узлов и промышленные роботы, предназначенные для контактной дуговой точечной сварки и дуговой сварки относительно коротких швов в различных пространственных положениях.
При серийном изготовлении конструкций оборудование для автоматической сварки должно в автоматическом режиме выполнять все вспомогательные операции, включая возврат автомата в исходное положение. Образцы такого оборудования созданы и успешно прошли испытания.
При мелкосерийном производстве в сборочно-сварочных отделениях наряду с мостовыми кранами все более широкое применение получают автономные грузоподъемные средства (консольные и полупортальные краны, кран-балки, поворотные консоли с тельферами и т. п.), оборудованные быстродействующими захватами и выносными пультами, обслуживаемыми не крановщиками и стропальщиками, а рабочими основного производства. Автономные грузо- подъемные средства широко применяются на Уралмашзаводе, Ждановском заводе тяжелого машиностроения, заводах дорожного машиностроения и др.
При серийном производстве, организованном на ряде вагоностроительных и машиностроительных заводов, детали для сварных конструкций, как правило, изготовляются на специализированных по обрабатываемому прокату (тонких и толстых листов, двутавров, а также гнутых профилей) высокомеханизированных линиях. В этом случае прокат автоматически поступает как на линию, так и к оборудованию для его обработки. Готовые детали также автоматически снимаются с линии и складируются в контейнеры или поддоны. При серийном производстве широко применяют безразмерную резку проката. Применяют также машины и прессы для штамповки деталей и гибки проката, которые вместе с оснасткой для выполнения транспортных и других операций представляют собой автоматические и полуавтоматические агрегаты с переналаживаемой оснасткой. При сравнительно больших партиях одинаковых деталей их складируют теми же способами, что и при мелкосерийном производстве.
Особое место в серийном производстве занимают высокомеханизированные и автоматизированные переналаживаемые линии, предназначенные для изготовления определенных, но незначительно отличающихся по форме и размерам сварных конструкций. В таких линиях сборочные и сварочные установки переналаживают за счет изменения положения основных узлов на станинах этих установок в период подготовки линии к изготовлению новой сварной конструкции. Оборудование переналаживаемых линий конструктивно не изменяется. Поэтому основные узлы сборочных (базы, фиксаторы, прижимы, и т. п.) и сварочных (автоматы и рельсовые их пути) установок, а также вспомогательное оборудование для выполнения подъемно-транспортных операций и системы автоматизации этих линий могут быть высокопроизводительными и выполнять технологические операции с высоким уровнем механизации и автоматизации.
В связи с возможным изменением серийно изготовляемых конструкций на переналаживаемых сборочно-сварочных линиях оборудование этих линий должно быть не только высоко производительным, но и обеспечивать изготовление однотипных конструкций во всем их диапазоне размеров, для которых предназначена линия. Достигнуть этого можно при создании конструктивно неизменного, но механически переналаживаемого оборудования, а также оборудования, работающего по предварительно составленным программам. К механически переналаживаемому относится оборудование для выполнения сборочных операций и некоторое оборудование для загрузки соответственно деталей и готовых сварных узлов, а также автоматы для сварки длинномерных швов. Это оборудование, как правило, специализировано, состоит из унифицированных узлов и предназначается для изготовления определенных конструкций. К програмно переналаживаемому оборудованию относятся позиционеры для загрузки деталей и съема узлов и промышленные роботы, предназначенные для контактной дуговой точечной сварки и дуговой сварки относительно коротких швов в различных пространственных положениях.
При серийном изготовлении конструкций оборудование для автоматической сварки должно в автоматическом режиме выполнять все вспомогательные операции, включая возврат автомата в исходное положение. Образцы такого оборудования созданы и успешно прошли испытания.
Цель автоматизации технологического процесса на сварочном участке механосборочного цеха - получение сварных соединений с требуемыми свойствами при наилучших технико -экономических показателях без непосредственного участия человека. Автоматизация сварочных процессов, при которой повышается точность управления и контроля, а также исключается влияние на технологический процесс субъективных факторов, направлена прежде всего на повышение качества сварных соединений и его стабилизацию в пределах партии однотипных изделий, исключение или сведение к минимуму количества недопустимых дефектов сварных швов снижает потери рабочего времени, энергетических и материальных ресурсов, связанные с исправлением брака.
После рассмотрения имеющихся решений в области построения роботизированных сварочных ячеек в качестве варианта компоновки выбирана сварочная ячейка PerformArc Модели TT В качестве сварочного робота в выпускной работе использована упрощенная консольная конструкция собственной разработки, что обеспечивает снижение стоимости и импортозамещение.
В ходе работы над основным разделом выпускной квалификационной работы был произведен анализ технологического процесса сварки и закалки толстостенных резервуаров на участке сварки механосборочного цеха "УКВЗ им. С.М.Кирова" - филиал АО "ГКНПЦ им. М.В.Хруничева". Анализ технологического процесса показал его низкую энергетическую эффективность, большое время протекания отдельных этапов энергетических преобразований и процесса формирования сварного соединения, отсутствие оперативной оптимизации сварочного процесса и процесса термообработки в соответствии с выбранным критерием.
Была выбрана система управления с применением современного высокопроизводительного микропроцессорного контроллера. Спроектирована схема компоновки автоматизированного комплекса, основанная на консольном принципе построения манипуляторов. В качестве управляющего контроллера выбран микроконтроллер на базе ядра ARM STM32F103RX.. Спроектирована принципиальная схема микропроцессорного блока системы управления. Спроектирована схема управления нагревательным элементом, включающая в себя трехфазный выпрямитель и инвертор на транзисторах MOSFET, управляемый драйверами, преобразующими сигнал управления, поступающий от микроконтроллера.
Выбран шаговый двигатель вертикального перемещения горелки, система управления шаговыми двигателями, рассчитанная на пять каналов управления, а также частотный преобразователь для управления скоростью вращения асинхронного двигателя привода сварочного манипулятора. Табличным методом расчета выбраны транзисторы в силовой цепи управления нагревательным элементом. Выбраны основные узлы системы управления:
датчики линейно-угловых перемещений, датчик расхода аргона, датчик температуры.
Составлено и описано алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы управления.
В организационно-экономическом разделе был произведен расчет затрат на автоматизацию процесса сварки и закалки толстостенных деталей. При результатам расчета, проводимая автоматизация позволит снизить трудоемкость на 17,77%, повысить коэффициент роста производительности до 1,21, а годовой экономический эффект составит 1 200 000, руб в год.
После рассмотрения имеющихся решений в области построения роботизированных сварочных ячеек в качестве варианта компоновки выбирана сварочная ячейка PerformArc Модели TT В качестве сварочного робота в выпускной работе использована упрощенная консольная конструкция собственной разработки, что обеспечивает снижение стоимости и импортозамещение.
В ходе работы над основным разделом выпускной квалификационной работы был произведен анализ технологического процесса сварки и закалки толстостенных резервуаров на участке сварки механосборочного цеха "УКВЗ им. С.М.Кирова" - филиал АО "ГКНПЦ им. М.В.Хруничева". Анализ технологического процесса показал его низкую энергетическую эффективность, большое время протекания отдельных этапов энергетических преобразований и процесса формирования сварного соединения, отсутствие оперативной оптимизации сварочного процесса и процесса термообработки в соответствии с выбранным критерием.
Была выбрана система управления с применением современного высокопроизводительного микропроцессорного контроллера. Спроектирована схема компоновки автоматизированного комплекса, основанная на консольном принципе построения манипуляторов. В качестве управляющего контроллера выбран микроконтроллер на базе ядра ARM STM32F103RX.. Спроектирована принципиальная схема микропроцессорного блока системы управления. Спроектирована схема управления нагревательным элементом, включающая в себя трехфазный выпрямитель и инвертор на транзисторах MOSFET, управляемый драйверами, преобразующими сигнал управления, поступающий от микроконтроллера.
Выбран шаговый двигатель вертикального перемещения горелки, система управления шаговыми двигателями, рассчитанная на пять каналов управления, а также частотный преобразователь для управления скоростью вращения асинхронного двигателя привода сварочного манипулятора. Табличным методом расчета выбраны транзисторы в силовой цепи управления нагревательным элементом. Выбраны основные узлы системы управления:
датчики линейно-угловых перемещений, датчик расхода аргона, датчик температуры.
Составлено и описано алгоритмическое обеспечение автоматизированной системы управления.
В организационно-экономическом разделе был произведен расчет затрат на автоматизацию процесса сварки и закалки толстостенных деталей. При результатам расчета, проводимая автоматизация позволит снизить трудоемкость на 17,77%, повысить коэффициент роста производительности до 1,21, а годовой экономический эффект составит 1 200 000, руб в год.
