Гибкие автоматизированные технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

роботизация технология переналадка

Введение

1. Основы гибкой автоматизированной технологии

2. Основы роботизации промышленного производства

3. Основы роторной технологии обработки изделий

4. Основы лазерной технологии

5. Основы биотехнологии

6. Основы мембранной технологии

7. Основы радиационно-химической технологии

8. Основы информационной технологии

Заключение

Список использованных источников



Введение

Рост конкуренции, а также постоянное повышение цен на сырье и энергоресурсы, заставляют предприятия поддерживать рентабельность своего производства на высоком уровне. На практике существует много способов, которые позволяют улучшить финансовые показатели компаний. Но, пожалуй, самый важный из них - это совершенствование технологических процессов.

Очевидно, что в современном мире именно наукоемкие технологии являются определяющим фактором экономического развития, главным источником пополнения бюджетных средств ведущих мировых государств, фундаментальной основой обеспечения их национальной безопасности. Кроме того, производство высокотехнологической продукции сейчас становится еще и одним из основных условий успешной интеграции той или иной страны в складывающуюся систему международных отношений. Учитывая эти факторы, даже не важнейшей задачей, а жизненной необходимостью для Беларуси становится успешное овладение и эффективное использование самых современных технологий и инновационных разработок.

Среди множества различных прогрессивных технологий, выделяют такие перспективные направления, как гибкие автоматизированные технологии, роботизация технологий, лазерные технологии, биотехнологии, мембранные технологии, радиационно-химические и информационные технологии, о которых и пойдет речь в данной работе. Однако, это лишь небольшая часть современных технологий производства. Благодаря невероятным темпам развития науки и техники в мире постоянно разрабатываются и внедряются новейшие технологии, призванные создавать принципиально новую продукцию или продукцию, обладающую новыми или улучшенными свойствами, существенно снижать затраты на производство в сравнении с отбывшими свой срок технологиями, а также влияние на окружающую среду. Прогрессивные технологии играют решающую роль в развитии как экономики, так и всего общества в целом.



1. Основы гибкой автоматизированной технологии

Гибкая производственная система - совокупность технологического оборудования и системы обеспечения его функционирования в автоматическом режиме, обладающая свойством автоматизированной переналадки при производстве изделий произвольной номенклатуры в пределах установленных диапазонов их характеристик.

Гибкая технология -- способность к структурным изменениям, быстрой адаптации элементов производства в условиях динамизма и интенсификации. Гибкость может быть тактической или стратегической.

Тактическая обеспечивается за счет эластичности внутриорганизационной технологической структуры производства при его неизменных производственно-технологических функциях, а стратегическая связана с обеспечением работоспособности системы за счет ее многофункциональности.

Назначение и особенности гибких технологий производственных систем

Производство средних серий продукции, как правило, осуществляется с применением станков с автоматизированным циклом обработки и ручной загрузкой и разгрузкой оборудования, а применение накопителей или магазинов заготовок позволяет устранить зависимость обслуживания от такта станка. Однако поток заготовок, как и при мелкосерийном производстве, направляется преимущественно в ручную, а ограниченная гибкость традиционного автоматизированного оборудования для среднесерийного производства приводит к большой длительности подготовительно-заключительного времени и к значительным величинам межоперационных запасов и времени прохождения изделий.

Крупные серии изготавливаются на поточных автоматических линиях с прерывным или непрерывным ритмом, на которых обработка и транспортировка объектов осуществляются автоматически. При этом высокая производительность и короткий цикл обработки изделий сочетаются с ограниченной гибкостью как по номенклатуре, так и по устранению возникающих время от времени сбоев и отказов оборудования. Жесткий линейный принцип организации потоков приводит в таких случаях к простоям всего комплекса технических средств, входящих в линию.

Таким образом, мелкосерийное и серийное производства создают ряд трудно устранимых при традиционной обработке проблем, а именно:

низкий уровень использования капитальных вложений и медленный оборот средств. Действительно, трудности организации работы во вторую и третью смены, потери времени на выходные и праздничные дни, потери времени на загрузку и разгрузку станков и другие факторы приводят к уменьшению машинного времени до 6% от общего фонда времени, что составляет менее 1 ч. работы за 17 ч. при трехсменной непрерывной нагрузке. Таким образом, первая задача новой технологии - улучшение использования капитальных вложений без дополнительного привлечения работающих;

сложность обработки в связи с многооперационностью и многономенклатурностью, а также большим разнообразием станков, используемых на различных операциях. По этому вторая задача - уменьшение сложности обработки, что также достижимо только в условиях новой технологии;

сложность календарного планирования серийного производства из-за задержек поставок заготовок и инструмента, поломок оборудования и т.п. Установка накопителей не решает проблемы, так как это приводит к увеличению капитальных вложений, расширению незавершенного производства, а также снижению эффективности производства.

Эти проблемы решаются при переходе к новой технологии на основе гибких автоматизированных производств, управляемых ЭВМ.

Гибкое автоматизированное производство - это производственная система (линия, участок, цех, завод), в которой реализуется комплексно-автоматизированное групповое многономенклатурное производство, оперативно перестраиваемое в определенном параметрическом диапазоне продукции, а работа всех функциональных комплексов синхронизируется как единое целое многоуровневой автоматизированной системой управления.

Таким образом гибкое автоматизированное производство - организационно-техническая производственная система, позволяющая в мелкосерийном и серийном многономенклатурном производстве заменить с минимальными затратами и в короткий срок выпускаемую продукцию на новую.

Перспективы развития гибких производственных систем

В настоящее время во многих странах ведутся научные исследования и практическая работа по созданию завода будущего.

Завод будущего это:

высочайшая производительность машин и труда;

высокая степень гибкости перехода на производство новой продукции и приспособляемости к постоянно меняющейся продукции и растущей многономенклатурности;

кратчайший производственный цикл изготовления изделий;

обеспечение выпуска только продукции высокого качества;

малое энергопотребление, высокий коэффициент использования сырья и машин;

безотходная технология, полная утилизация отходов путем превращения стружки в исходный материал, выработки вторичного сырья или побочной продукции;

высокая надежность работы машин, оборудования и всего завода путем использования самодиагностики, предупреждающей выход оборудования из строя или обеспечивающей восстановление его работы в кратчайшие сроки;

условия труда, удовлетворяющие всем требованиям сохранения здоровья человека, ликвидация физического труда и полная компьютеризация умственного труда;

обеспечение сохранности окружающей среды;

мобильность в отношении применения новых достижений науки и техники, новейшей технологии и оборудования, самообновление.

Для создания завода будущего необходимо осуществить следующее:

отказ от дифференциации обработки деталей и сборки изделий в несколько операций и переход к централизации обработки и сборки в одну операцию, на одном станке, на одной обрабатывающей или сборочной системе;

переход к использованию машин для выполнения комплекса работ, обеспечивающих непрерывность производственных процессов:

интеграция различных процессов производства и управления в единую производственную систему;

децентрализация управления производством;

переход к имитационному моделированию испытаний образцов изделий и производственных процессов;

углубление технологической и подетально-поузловой специализации производства, сокращение серийности, индивидуализации выпускаемой продукции;

совмещение профессий, повышение квалификации рабочих при общем сокращении высококвалифицированного и любого другого труда;

электронизация производства и труда, развитие средств связи и информатизации производства;

совершенствование организации производства по принципу “ все только тогда, когда нужно”

Создание завода будущего потребует новых усилий ученых, инженеров, техников и рабочих, по приоритетным направлениям фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ по развитию гибкого интегрированного автоматизированного производства.



2. Основы роботизации промышленного производства

Роботизация и автоматизация промышленности - одно из наиболее прогрессивных направлений в комплексной механизации производства, широкое применение автоматических манипуляторов (промышленных роботов), встроенных систем автоматического управления с использованием микропроцессоров, позволяющее создавать полностью автоматизированные участки производства, цехи, заводы. Основное направление работ в этой сфере состоит в создании новых промышленных технологий, рассчитанных на безлюдное производство, где все основные производственные задачи будут решаться интеллектуальными системами.

Роботизация производства является самым эффективным методом развития любой отрасли. Промышленные роботы значительно повышают производительность участка, в который были внедрены, с их помощью исключают влияние человеческого фактора на производственный процесс, а гибкость робототехнической системы делает их незаменимыми в развитии бизнеса.

Роботизация производственных процессов позволяет решать задачи различного технического уровня и выполнять максимальное количество производственных манипуляций - перемещение изделий, резка, сварка и др. Основное предназначение промышленных роботов не только в развитии промышленности, но также замены человеческого труда на вредных производствах, а так же там, где большую часть времени занимает монотонный ручной труд с высокой концентрацией внимания.

Роботизация производства включает использование интеллектуальных робот систем, а это гарантия качественного выполнения технических и производственных процессов. Программные и исполнительные возможности роботов позволяют совершать контрольные режимы обработки, и, при необходимости, корректировки всех процессов, связанных с поставленными Вами задачами.

Помимо перечисленного, применение интеллектуальных робот систем позволяет намного сократить энергозатраты, избежать всевозможных погрешностей и использовать оптимальную программу, в зависимости от типа выполняемой работы.

Использование новейших разработок позволяет минимизировать время, затрачиваемое на подготовку оборудования к запуску новой номенклатурной позиции в производство.

За последние годы не только в Европе, но также в России и странах СНГ робототехника позволила многим производителям максимально поднять уровень своего предприятия. Это происходит за счет хорошей производительности (один робот может справляться с работой нескольких человек), экономии денежных средств при этом, изготовлении продукции наивысшего качества и за счет оптимизации других процессов.

Роботизация производства - это идеальное решение с широкими возможностями для усовершенствования и постоянного развития любого предприятия. При появлении новых задач, роботизация производства позволяет в самые кратчайшие сроки переоборудовать роботизированное место для выполнения других технологических операций, в независимости от типа работы. Например, со сварочных работ на сборочные.

Рассмотрим конкретные задачи, которые роботы решают в настоящее время на промышленных предприятиях. Их можно разделить на три основных категории:

Манипуляции изделиями и заготовками;

Обработка деталей и заготовок;

Сборка.

Манипуляции изделиями и заготовками.

При разгрузочно-загрузочных и транспортных операциях робот заменяет пару человеческих рук. В его обязанности не входят особенно сложные процедуры. Он всего лишь многократно повторяет одну и туже операцию в соответствии с заложенной в нем (роботе) программой. Рассмотрим типичные применения таких роботов.

1) Загрузочно-разгрузочные работы.

Во многих отраслях машиностроительной промышленности используются установки для литья, резки и ковки. В большинстве случаев последовательность выполняемых ими операций весьма проста. Вначале заготовки загружают в производственную установку, которая затем обрабатывает их строго определенным образом, и, наконец, готовые детали извлекают из нее. Загрузку и разгрузку, как правило, выполняют рабочие или в тех случаях, когда применимы средства жесткой автоматизации, специализированные механизмы, рассчитанные на операции только одного вида. Роботы могут здесь оказаться полезными, если характер таких загрузочно-разгрузочных операций время от времени меняется.

2) Перенос изделий с одной производственной установки на другую.

Во многих отраслях машиностроительной промышленности погрузочно-разгрузочные механизмы предназначены для перемещения изделий с одного производственного участка на другой. И при выполнении таких перемещений роботы играют немаловажную роль.

3) Упаковка.

Практически все бытовые и промышленные товары необходимо упаковывать, и для роботов не представляет сложности поднимать готовые изделия и помещать в какую-либо тару.

4) Погрузка тяжелых предметов на конвейер или палеты.

Помимо упаковки миниатюрных изделий, а также промышленных и бытовых товаров роботы иногда выполняют и погрузку тяжелых предметов. По существу они здесь заменяют подъемно-транспортные машины, управляемые оператором-человеком.

Обработка деталей и заготовок.

Хотя роботы, выполняющие обработку изделий с помощью различных инструментов, и нашли пока менее широкое применение, чем аналогичное оборудование для транспортировки деталей и заготовок, они продемонстрировали свою эффективность при решении многих задач.

1) Сварка.

Эта операция чаще всего выполняется с помощью роботов, предназначенных для манипулирования инструментом. Роботы могут осуществлять два вида сварки: точечную контактную и дуговую. В обоих случаях робот удерживает сварочный пистолет, который пропускает ток через две соединяемые металлические детали.

В соответствии с управляющей программой, сварочный пистолет может перемещаться практически не отклоняясь от заданной траектории. И если программа отлажена хорошо, сварочный пистолет прокладывает шов с очень высокой точностью.

При очевидных преимуществах такого использования роботов существует ряд и серьезных технических проблем. Запрограммировать робота весьма непросто. Необходимо не только задать точный маршрут движения манипулятора, но и подготовить инструкции, в соответствии с которыми регулируется напряжение и сила тока в каждой точке маршрута. А эти параметры могут меняться, например, в зависимости от толщины свариваемого материала или от того, какую форму имеет прокладываемый шов - прямую или криволинейную.

Также необходимо сконструировать фиксаторы, удерживающие детали в процессе сварки таким образом, чтобы сварка осуществлялась при высокой точности позиционирования. Когда сварочный пистолет держит человек, он способен учитывать незначительные смещения заготовки. Сварщику-человеку лишь слегка сместит инструмент, с тем, чтобы выполнить шов в заданном месте. Робот же не способен принимать подобные решения, если фиксаторы допускают перекос или смещение, то существует вероятность того, что сварные швы будут расположены с отклонением. Кроме того, фиксатор должен быть таким, чтобы манипулятор имел доступ к детали с разных сторон.

Следующая проблема касается допусков на изготавливаемые детали. Сварщик-человек принимает во внимание неизбежные отклонения в размера, но роботу подобная коррекция не под силу. Таким образом, когда сварка осуществляется с помощью автоматики, допуски на детали, изготавливаемые на других участках предприятия, должны быть минимальными.

2) Обработка резаньем.

Сверление.

Как правило, операцию сверления осуществляют на станке. При использовании робота в его захватном приспособлении закрепляется рабочий инструмент, который перемещается над поверхностью обрабатываемой детали, высверливая отверстия в нужных местах. Преимущество подобной процедуры проявляется в тех случаях, когда приходится работать с крупногабаритными и массивными деталями или проделывать большое число отверстий.

Операции сверления играют значительную роль в производстве самолетов: они предшествуют клепке, при которой в отверстия вставляются миниатюрные зажимные детали, скрепляющие между собой два листа металла. В деталях самолетов необходимо проделывать сотни, а то и тысячи отверстий под заклепки, и вполне естественно, что такую операцию поручили роботу.

Бесконтактная обработка заготовок.

Из-за малой жесткости и недостаточной твердости, роботы не могут проводить обработку твердых материалов резаньем. Поэтому инженеры изучают бесконтактные методы обработки материалов, подобных металлу или пластику. Для этой цели, в частности, используется лазер. В рабочем органе робота закреплен прибор, который направляет высокоэнергетическое когерентное излучение лазера (для чего нередко используется волокно-оптическая система передачи) на обрабатываемую заготовку. Лазер может с высокой точностью резать пластины из металла, в частности стали. Робот перемещает рабочий орган над обрабатываемым листовым материалом по траектории, определяемой программой. Программой же регулируется интенсивность светового луча в соответствии с толщиной нарезаемого материала.

Другой бесконтактный метод резанья основан на использовании струи жидкости. Такой подход впервые применила компания “Дженерал моторс”. На ее заводе в Андриане установлена система с 10 роботами, изготавливающая пластмассовые детали нефтеналивных цистерн. Восемь из десяти роботов направляют водяные струи под высоким давлением на перемещаемые конвейером пластмассовые листы. Эти струи прорезают в исходном материале ряд отверстий и щелей, а также удаляют лишние элементы пластмассовых прессованных деталей. по утверждению представителей компании “Дженерал моторс”, подобная роботизированная система весьма экономична, поскольку исключает износ инструмента и позволяет повысить качество операций резанья. Поскольку система управляется программой, которая находится в памяти центрального компьютера, для контроля и обслуживания всех 10 роботов требуется только два оператора.

3) Нанесение различных составов на поверхность.

На большинстве предприятий после таких операций, как резанье, производится обработка поверхности только что изготовленных деталей (чаще всего окраска). Это еще один тип производственных операций, которые способен выполнять робот, если его оснастить пульверизатором. В память робота закладывается программа, обеспечивающая выполнение определенной, многократно повторяемой последовательности перемещений. Одновременно программа регулирует скорость разбрызгивания краски. В результате на поверхности окрашиваемой детали образуется равномерное покрытие, причем нередко робот обеспечивает более высокое качество окраски, чем человек, которому свойственна неточность движений. Среди других процедур обработки поверхности можно отметить напыление антикоррозийных жидкостей на листы металла для защиты их от химического или физического воздействия окружающей среды, а также нанесение клеевых составов на поверхность деталей подлежащих соединению. Автомобилестроительные компании исследовали возможность применения последней операции на этапе окончательной “подгонки” готовых узлов, в частности при монтаже таких элементов, как хромовые вкладыши на кузове автомобиля . При выполнении подобных операций робот помещают в оболочку, которая защищает его от попадания клея и других связующих веществ. Его также можно “обучить” тому, чтобы он время от времени самостоятельно очищался, погружая захватное приспособление в очищающую жидкость.

4) Чистовая обработка.

Самой “непопулярной” операцией в механообработке, которая к тому же труднее поддается автоматизации, является, пожалуй, удаление заусенцев, посторонних частиц и зачистка. Такая чистовая обработка весьма непростая процедура. Рабочий подносит обрабатываемую деталь к абразивному инструменту, который стачивает острые края и шероховатости на поверхности изделия. Данная процедура занимает важное место в технологическом процессе, однако выполнять ее вручную весьма непросто.

Возможности использования роботов для окончательной обработки изделий исследовались во многих странах. Основная трудность здесь состоит в том, что роботы не обладают естественной для человека способностью контролировать качество своей работы, робот не может менять последовательность своих действий, если он не снабжен соответствующими датчиками. Английская фирма, специализирующаяся на изготовлении соединительных элементов водопроводных труб, осуществила проект, который позволил оснастить робот простейшей системой машинного зрения в виде телевизионной камеры. Предположим, робот держит какую-то деталь, например латунный водопроводный кран; телекамера передает изображение крана в компьютер, который в свою очередь регулирует прижатие шлифовального ремня, стачивающего неровности на поверхности этой литой детали. Кроме того, компьютер управляет перемещением манипулятора робота. Таким образом, действия всех компонентов системы - телекамеры, основного манипулятора, регулирующего прижатие шлифовального ремня, взаимно скоординированы.

5) Испытания и контроль.

После того как изготовлена деталь или смонтировано несколько узлов, обычно проводится их испытание с целью выявления возможных дефектов. Тщательному контролю подвергаются линейные размеры деталей. Все измерительные операции являются частью повседневных задач, решаемых на всех предприятиях мира. Роботы способны облегчить их выполнение. Для этой цели роботы оснащаются миниатюрными оптическими датчиками; как правило, это светодиоды, объединенные с полупроводниковыми светочувствительными приборами. Облучая проверяемую поверхность лучом определенной частоты, подобный датчик принимает отраженное от поверхности излучение, имеющее туже частоту. Робот, в соответствии с заложенной в нем программой, перемещает датчик от одной точки контролируемого изделия к другой. По результатам измерения интервала времени между моментом испускания светового импульса и его приема после отражения рассчитывается форма проверяемой поверхности. Все эти действия выполняет компьютер данной автоматизированной системы.

Операции подобного рода позволяют избежать использование таких инструментов, как микрометры и штангенциркули. Подобные робототехнические средства впервые использовала компания “Дженерал моторс” для контроля формы и размеров автомобильных деталей. При использовании такой роботизированной системы отпадает необходимость в отправке изделий на специальные пункты контроля качества - соответствующие процедуры можно осуществлять непосредственно на конвейере, не прерывая производственного процесса.

Сборка.

Большой объем работ современных предприятий приходится на сборочные операции, однако многие из них требуют особо мастерства и слишком сложны для машины. В связи с этим значительная часть сборки до сих пор выполняется вручную. Тем не менее, ряд сборочных процессов уже автоматизирован; это относится главным образом к относительно простым и многократно повторяющимся операциям, выполняемыми работами.

3. Основы роторной технологии обработки изделий

Высокой формой автоматизации и механизации технологических процессов является комплексная автоматизация производства, которая основывается на применении роторной технологии обработки. В роторной машине основным элементом является ротор с инструментальными блоками. При вращении технологического ротора вокруг вертикальной оси происходит непрерывная обработка деталей, подаваемых транспортером. Транспортный ротор обеспечивает передачу деталей на обработку в инструментальные блоки; съем обработанных изделий и передачу их на другие технологические роторы. Наилучшие возможности такой автоматизации имеют процессы, у которых: высокая степень концентрации технологических операций за счет многопозиционной и мало инструментальной обработки, которую можно совместить во времени; непрерывное транспортирование обрабатываемых объектов, совмещенное с их технологической обработкой. Принципиальные возможности автоматизации таких технологических процессов обеспечивают роторно-конвейерные технологии обработки. В них отдельные операции выполняются в обслуживающих роторах. Для этого инструментальные блоки монтируют в гнездах гибкого цепного конвейера, который огибает обслуживающие роторы.

Что же представляет собой роторная линия? Конструкция и принцип действия роторных автоматических линий существенно отличаются от конструкции и принципа действия обычных автоматических линий. Обработка деталей на них совершается в процессе совместного транспортного движения предмета обработки и инструмента.

Конструктивно такие линии состоят из группы тех или иных инструментов, установленных не на подвижной станине, а на каком-либо транспортном устройстве (цепном конвейере или чаще всего на барабане-роторе), обеспечивающем непрерывное их движение по замкнутой траектории, например по окружности. К каждому инструменту на определенном участке его пути поступает предмет обработки. На следующем участке инструмент обрабатывает этот предмет, а затем предмет поступает на следующую операцию.

Не видя роторной автоматической линии, почему-то представляешь себе длинный ряд станков, связанных между собой транспортными устройствами. А в действительности -- это плотно скомпонованный, словно сжатый в кулак, механизм, выполняющий многочисленные операции сложного технологического процесса.

Невольно хочется сравнить роторную машину с небольшой турбиной или с часовым механизмом. Роторы вращаются без отдыха, как роторы турбины или шестеренки в часах, с точностью хорошо выверенных хронометров.

Основными элементами роторных линий являются рабочие и приемно-питающие роторы. Расположенные между рабочими роторами, они непрерывно вращаются и не только подают заготовку к инструменту, но и снимают готовые изделия. На них лежит и еще одна обязанность -- межоперационная транспортировка изделий. Таким образом, заготовка, попав на первый рабочий ротор и пройдя соответствующую обработку, не останавливается, как это происходит на обычной автоматической линии, а передается с помощью приемно-питающих роторов на второй, третий и последующие рабочие роторы до конца линии.

Отличительная особенность роторных автоматических линий -- это непрерывность технологического процесса. Такая непрерывность обеспечивает высокую производительность.

Роторные автоматические линии можно использовать как в мелкосерийном, так и в массовом производстве. В последнем случае необходимо только использовать ротор с увеличенным числом инструментов.

В роторных машинах можно обеспечить и высокую производительность, сохраняя при этом сколь угодно большую длительность цикла операций и применяя оптимальные технологические режимы, при которых рабочий инструмент приобретает наибольшую стойкость. Кроме того, поскольку в роторных машинах увеличение продолжительности операций не влечет за собой снижения производительности, можно предусмотреть время, необходимое для автоматической смены инструмента без остановки машины. В этом случае даже при недостаточной стойкости инструмента может быть достигнут коэффициент использования отдельной роторной машины, практически близкий к 100 процентам. Это обеспечивает, в свою очередь, при объединении 15--20 роторных машин в автоматическую линию коэффициент ее использования порядка 90--95 процентов, т. е. позволяет получить линию, обладающую более высокой работоспособностью, чем однооперационные машины прерывного действия.

Легко решается в роторных линиях и проблема универсальности. На них можно изготавливать одновременно несколько различных типов изделий. И чтобы перейти с обработки одного изделия на обработку другого, достаточно на роторных машинах заменить вспомогательные устройства, приспособления и инструмент.

Применение роторных автоматических линий улучшает технико-экономические показатели производства, значительно снижает трудовые затраты на изготовление изделий, сокращает расходы на проектирование и изготовление самого оборудования.

Уменьшение трудовых затрат, в частности, достигается благодаря тому, что в роторных линиях имеется возможность наиболее полно осуществлять автоматический контроль рабочих операций и широко использовать его результаты для активного воздействия на ход процесса с целью предотвращения брака и защиты инструмента от преждевременного выхода из строя.

Практика показала, что производительность труда при применении роторных линий повышается в 4--5 раз по сравнению с обычными автоматическими линиями. Роторные линии компактны и занимают в несколько раз меньше места, чем обычные автоматические линии. Любая роторная машина занимает места немногим больше, чем обычный пресс, а готовых изделий сходит с нее столько, сколько дают семь -- восемь прессов.

При широком распространении роторных автоматических линий не нужно будет проектировать каждую из них в отдельности, так как вполне возможно организовать серийное производство универсальных рабочих и транспортных роторов основных типов, а также вспомогательных устройств и приспособлений. Создание конкретной линии сведется тогда к подбору соответствующих элементов оснастки и к самим монтажным работам.

При переводе линии на выпуск изделий нового технологически подобного типа основная задача будет состоять в том, чтобы создать нужный инструмент и подготовить соответствующие рабочие места на роторах.

На промышленных предприятиях уже работают десятки различных типов роторных автоматических линий. Они производят штамповочные, прессовые, термические, сборочные и контрольные операции.

Сфера применения роторных автоматических линий с каждым годом неуклонно расширяется. Появились роторные линии для изготовления электродов, химических источников питания, щелочных аккумуляторов. Создаются роторные автоматические линии для литейного производства, в частности для литья под давлением, точного литья и литья в постоянные формы, роторные машины для горячештамповочных и кузнечно-прессовых производств.

На основе роторных линий созданы и цехи-автоматы. Один из них -- цех-автомат по производству комбайновых цепей. В этом цехе роторные машины не только изготавливают отдельные детали цепей, но и собирают их. Недалеко уже то время, когда появятся целые заводы-автоматы, в сложной технологической цепочке которых будут работать роторные машины.

4. Основы лазерной технологии

Лазерная технология - совокупность приёмов и способов обработки материалов и изделий с использованием лазеров; технологические процессы, основанные на применении лазерного излучения для термической обработки, сварки, резки деталей, получения отверстий малого диаметра в сверхтвердых материалах и др.

В лазерной технологии применяются твердотельные лазеры и газовые лазеры, работающие в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Основные операции связаны с тепловым действием лазерного излучения. Для управления световым потоком (повышения интенсивности и локализации воздействия) применяются оптические системы. Преимущества лазерной технологии - высокая локальность, кратковременность воздействия, малая зона термического влияния, возможность ведения технологических процессов в любых прозрачных средах (в т. ч. в агрессивных) и внутри герметически закрытых объёмов. Лазеры используются для сверления отверстий, резки и скрайбирования (нанесение рисунка на поверхность пластины полупроводника лазерным лучом), закалки, гравировки, изготовления и фигурной обработки тонких плёнок, динамической балансировки вращающихся деталей, подстройки элементов схем и др.

Сверление отверстий. Лазерная технология упрощает операцию получения отверстий в твёрдых, хрупких, тугоплавких, радиоактивных материалах. Она эффективна при изготовлении алмазных фильер для волочения проволоки, стальных и керамических фильер для производства искусственного волокна; при сверлении рубиновых часовых камней, ферритовых пластин для устройств памяти, керамических изоляторов, изделий из сверхтвёрдых сплавов. Для сверления обычно используются импульсные лазеры на неодимовом стекле, иттрий-алюминиевом гранате (ИАГ), СО₂. Типичные параметры лазеров: энергия от десятых долей до десятков Дж, длительность импульса 0,1-1 мс, плотность потока энергии до 10 МВт/см2. Недостаток лазерного метода сверления в одноимпульсном режиме - невысокая точность и плохая воспроизводимость, связанные с флуктуациями интенсивности излучения. Этот недостаток частично устраняют, переходя к многоимпульсной методике. В этом случае обработка ведётся серией импульсов с энергией в импульсе 0,1-0,5 Дж. При этом удаётся получать отверстия сложного профиля с отношением глубины к диаметру 1-20 при точности обработки 1 мкм.

Резка и скрайбирование. Наиболее важны резка тонких плёнок и полупроводниковых пластин при изготовлении интегральных схем и т. н. газолазерная резка листовых материалов. Резку тонких плёнок производят серией коротких импульсов. Для этой цели используются газовые лазеры на молекулярном азоте либо твердотельные лазеры на ИАГ с Nd.

При газолазерной резке на обрабатываемый объект одновременно направляют лазерное излучение и струю газа. Чаще всего применяют СО₂-лазер; состав газовой струи зависит от обрабатываемого материала. При резке неметаллов, хорошо поглощающих излучение СО₂-лазера, струя газа (воздух или инертный газ) используется для охлаждения краёв разреза и удаления продуктов разрушения. При резке металлов применяют кислород или воздух, которые способствуют предварительному окислению металла, что уменьшает его отражательную способность; далее происходит воспламенение металла и выделяющееся тепло усиливает термическое действие лазерного излучения; наконец струя удаляет расплав и продукты окисления, обеспечивая поступление кислорода к фронту горения. В зависимости от скорости перемещения луча возможны два режима: управляемой резки, когда тепла от реакции недостаточно для самоподдерживающегося фронта горения на всю поверхность, обдуваемую струёй О₂, и неуправляемой (автогенной) резки, когда металл горит по всей поверхности за счёт тепла реакции окисления. Газолазерная резка затруднена, если металл имеет тугоплавкий окисел либо низкий тепловой эффект реакции окисления.

Сварка. Основное преимущество лазерной сварки - бесконтактность (например, через прозрачные окна внутри герметически закрытых сосудов); существен также малый размер зоны термического влияния, что позволяет работать в условиях интенсивного теплоотвода. Лазерным методом удаётся соединять металлы и сплавы, не свариваемые обычным способом. Для сварки целесообразно использовать импульсные лазеры. Можно выполнять точечную и шовную сварку. Типичные интенсивности 0,1-1 МВт/см² (в зависимости от материала). Толщина свариваемых деталей 0,01-1 мм. Отношение глубины проплавления к ширине шва 0,5-5.

Фигурная обработка поверхности. Проблема образования микрорельефа на поверхности материалов важна для микроэлектроники, полиграфической промышленности, при обработке твёрдых сплавов, ювелирных камней и т. п. Для создания рельефа используются: испарение, термообработка, в результате которой происходят структурные превращения в материале; окислительно-восстановительные реакции и реакции разложения, вызванные нагреванием; термостимулированные диффузионные процессы.

Лазер - одно из самых значимых изобретений 20-го века. Лазеры нашли применение в самых различных областях -- от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза.

Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме.

В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната (Y₃A_l5O₁₂) с примесью неодима.

Иттрий алюминиевые гранаты (ИАГ) являются структурными аналогами природных, но превосходят их по твердости (8-8,5), прозрачности и размеру бездефектной зоны. Обладают большой дисперсией, создающей бриллиантовую игру цвета. Введение редкоземельных элементов обеспечивает широкий спектр цветов, в том числе эксклюзивных оттенков. Получены разновидности гранатов, сходные по окраске и игре цвета с демантоидом и танзанитом.

С помощью последних были разработаны технология сверления тонких отверстий (диаметром 1-10 мкм и глубиной до 10-100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и технологиях изготовления фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв, изображений для нужд полиграфической промышленности.

В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники - фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на лазерные.

Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой средней мощностью: от 1кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных деталей, очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка металла, мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в конвейерном производстве.

При лазерной резке отсутствует механическое воздействие на обрабатываемый материал, сфокусированное лазерное излучение регулируемой мощности - идеальный инструмент, обеспечивающий качественную гладкую поверхность кромки реза любого материала независимо от его теплофизических свойств.

Точность позиционирования лазерной головки составляет 0,05 мм, за счет чего достигается высокая точность взаимного расположения элементов заготовки. При лазерной резке получается качественный срез, не требующий дополнительной обработки, кроме того, можно изготовлять изделия любой сложности, в любом количестве и практически из любого материала.

Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить технико-экономические показатели производственных процессов.

5. Основы биотехнологии

Биотехнология - производственное использование биологических агентов (микроорганизмы, растительные клетки, животные клетки, части клеток: клеточные мембраны, рибосомы, митохондрии, хлоропласты) для получения ценных продуктов и осуществления целевых превращений. В биотехнологических процессах также используются такие биологические макромолекулы как рибонуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки - чаще всего ферменты. ДНК или РНК необходима для переноса чужеродных генов в клетки.

Люди выступали в роли биотехнологов тысячи лет: пекли хлеб, варили пиво, делали сыр, другие молочнокислые продукты, используя различные микроорганизмы и даже не подозревая об их существовании. Собственно сам термин "биотехнология" появился в нашем языке не так давно, вместо него употреблялись слова "промышленная микробиология", "техническая биохимия" и др. Вероятно, древнейшим биотехнологическим процессом было брожение. В пользу этого свидетельствует описание процесса приготовления пива, обнаруженное в 1981 г. при раскопках Вавилона на дощечке, которая датируется примерно 6-м тысячелетием до н. э. В 3-м тысячелетии до н. э. шумеры изготовляли до двух десятков видов пива. Не менее древними биотехнологическими процессами являются виноделие, хлебопечение и получение молочнокислых продуктов. В традиционном, классическом, понимании биотехнология -- это наука о методах и технологиях производства различных веществ и продуктов с использованием природных биологических объектов и процессов.

Термин "новая" биотехнология в противоположность "старой" биотехнологии применяют для разделения биопроцессов, использующих методы генной инженерии, новую биопроцессорную технику, и более традиционные формы. Так, обычное производство спирта в процессе брожения - "старая" биотехнология, но использование в этом процессе дрожжей, улучшенных методами генной инженерии с целью увеличения выхода спирта - "новая" биотехнология.

Что касается более современных биотехнологических процессов, то они основаны на методах рекомбинантных ДНК, а также на использовании иммобилизованных ферментов, клеток или клеточных органелл. Современная биотехнология -- это наука о генно-инженерных и клеточных методах и технологиях создания и использования генетически трансформированных биологических объектов для интенсификации производства или получения новых видов продуктов различного назначения.

В рамках биотехнологии можно выделить:

1. Промышленную биотехнологию, где рассматриваются общие принципы осуществления биотехнологических процессов, происходит знакомство с основными объектами и сферами применения биотехнологии, рядом крупномасштабных промышленных биотехнологических производств, использующих микроорганизмы.

2. Клеточная инженерия. Основная цель этого раздела - изучение методами ведения культур клеток и практическим использованием этих объектов. В рамках этого раздела выделяют культивирование растительных клеток и методы культивирования животных клеток, так как подходы к культивированию этих объектов различаются в силу их принципиальных биологических различий. Клеточная биотехнология обеспечила ускоренное получение новых важных форм и линий растений и животных, используемых в селекции на устойчивость, продуктивность и качество; размножение ценных генотипов, получение ценных биологических препаратов пищевого, кормового и медицинского назначения.

3. Генная инженерия. Высшим достижением современной биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных генов и других материальных носителей наследственности в клетки растений, животных и микроорганизмов, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными свойствами и признаками. По своим целям и возможностям в перспективе это направление является стратегическим. Оно позволяет решать коренные задачи селекции биологических объектов на устойчивость, высокую продуктивность и качество продукции при оздоровлении экологической обстановки во всех видах производств. Однако для достижения этих целей предстоит преодолеть огромные трудности в повышении эффективности генетической трансформации и прежде всего в идентификации генов, создании их банков клонирования, расшифровке механизмов полигенной детерминации признаков и свойств биологических объектов, обеспечении высокой экспрессии генов и создании надежных векторных систем. Уже сегодня во многих лабораториях мира, в том числе и в России, с помощью методов генетической инженерии созданы принципиально новые трансгенные растения, животные и микроорганизмы, получившие коммерческое признание.

В молекулярной биологии использование биотехнологических методов позволяет определить структуру генома, понять механизм экспрессии генов, смоделировать клеточные мембраны с целью изучения их функций и т.д. Конструирование нужных генов методами генной и клеточной инженерии позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми полезными для человека свойствами, ранее не наблюдавшимися в природе.

Микробиологическая промышленность в настоящее время использует тысячи штаммов различных микроорганизмов. В большинстве случаев они улучшены путем индуцированного мутагенеза и последующей селекции. Это позволяет вести широкомасштабный синтез различных веществ.

Некоторые белки и вторичные метаболиты могут быть получены только путем культивирования клеток эукариот. Растительные клетки могут служить источником ряда соединений - атропин, никотин, алкалоиды, сапонины и др. Клетки животных и человека также продуцируют ряд биологически активным соединений. Например, клетки гипофиза - липотропин, стимулятор расщепления жиров, и соматотропин - гормон, регулирующий рост.

Созданы перевиваемые культуры клеток животных, продуцирующие моноклональные антитела, широко применяемые для диагностики заболеваний. В биохимии, микробиологии, цитологии несомненный интерес вызывают методы иммобилизации как ферментов, так и целых клеток микроорганизмов, растений и животных. В ветеринарии широко используются такие биотехнологические методы, как культура клеток и зародышей, овогенез in vitro, искусственное оплодотворение. Все это свидетельствует о том, что биотехнология станет источником не только новых продуктов питания и медицинских препаратов, но и получения энергии и новых химических веществ, а также организмов с заданными свойствами.

Условно можно выделить следующие основные направления биотехнологии: биотехнология пищевых продуктов, препаратов для сельского хозяйства, препаратов и продуктов для промышленного и бытового использования, лекарственных препаратов, средств диагностики и реактивов, биотехнология также включает выщелачивание и концентрирование металлов, защиту окружающей среды от загрязнения, деградацию токсических отходов и увеличение добычи нефти.

6. Основы мембранной технологии

Основой мембранной технологии разделения газов является мембрана, с помощью которой происходит разделение газов. Современная газоразделительная мембрана представляет собой отнюдь не плоскую пластину или плёнку, а полое волокно.

Для технологий мембранного разделения газов применяется современная половолоконная мембрана, состоящая из пористого полимерного волокна с нанесенным на его внешнюю поверхность газоразделительным слоем. Пористое волокно имеет сложную асимметричную структуру, плотность полимера возрастает по мере приближения к внешней поверхности волокна. Применение пористых подложек с асимметричной структурой позволяет разделять газы при высоких давлениях (до 6,5 MПа).

Толщина газоразделительного слоя волокна не превышает 0,1 мкм, что обеспечивает высокую удельную проницаемость газов через полимерную мембрану. Существующий уровень развития технологии позволяет производить полимеры, которые обладают высокой селективностью при разделении различных газов, что, соответственно, обеспечивает высокую чистоту газообразных продуктов. Современный мембранный модуль, используемый для технологии мембранного разделения газов, состоит из сменного мембранного картриджа и корпуса. Плотность упаковки волокон в картридже достигает значений 500-700 квадратных метров волокна на один кубический метр картриджа, что позволяет минимизировать размеры газоразделительных установок.

Схематическое изображение газоразделительного картриджа

Корпус модуля имеет один патрубок для входа исходной смеси газов и два патрубка для выхода разделенных компонентов.

Разделение смеси с помощью мембранной технологии происходит за счет разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях половолоконной мембраны. Газы, «быстро» проникающие через полимерную мембрану (например, H₂, CO₂, O₂, пары воды, высшие углеводороды), поступают внутрь волокон и выходят из мембранного картриджа через один из выходных патрубков. Газы, «медленно» проникающие через мембрану (например, CO, N₂, CH₄), выходят из мембранного модуля через второй выходной патрубок.

Применение мембранных технологий обосновано при необходимости получения газов относительно невысокой чистоты. Мембранная технология обеспечивает экономичный и надежный путь производства или очистки газов.

Основным принципом работы мембранных систем является селективная проницаемость. Сердцем процесса являются пучки, состоящие из нескольких сотен тысяч полых полимерных волокон толщиной с волос. «Быстрые» газы с более высокой проницаемостью проходят через мембрану и образуют поток пермеата. «Медленные» газы практически не проникают через мембрану и образуют поток остаточного газа.

В этом процессе быстрые газы, такие как водород, могут быть отделены от медленных газов, таких как азот, окись углерода, метан или другие углеводороды.

Мембранные системы используются в различных процессах нефтепереработки и нефтехимии. Мембранные системы для производства азота применяются при бурении скважин для добычи нефти и газа, для создания контролируемой атмосферы, на морском транспорте, для инертизации среды в различных областях промышленности, для накачки шин и в лабораторных целях. Мембранные системы для извлечения водорода применяются на нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах для извлечения водорода, регулирования соотношения водорода/окиси углерода и извлечения олефина. Мембраны для удаления двуокиси углерода перерабатывают природный газ (дезодорирующая сероочистка), биогаз/газ из органических отходов и синтетический газ для увеличения ценности питающего газа.

Любой живой организм из различных газовых и жидких смесей умеет выбрать нужный компонент и получить его в чистом виде. Природа изобрела свой способ разделять атомы и молекулы по ничтожным различиям в массе, размере, химических и физических свойствах. Это полупроницаемая мембрана, которая является не только механической защитной оболочкой, но и «умным барьером», определяющим, что пропустить внутрь, а что нет.

Человек представляет собой живой мембранный аппарат, площадь мембран в котором исчисляется гектарами. Клеточные оболочки, слизистые и кожа - это все полупроницаемые мембраны. Когда они выходят из строя - человек заболевает. Тогда на помощь организму приходят искусственные аппараты, созданные инженерами мембраной технологии: искусственная почка (гемодиализ), искусственная печень (мембранный плазмоферез), искусственное легкое.

...