Tím byly položeny základy principu činnosti dnešních počítačů a ... Symbolem
automatizace je v posledních letech průmyslový robot. První konstrukce robotů ...
AUTOMATIZACE A ROBOTIZACE I. Učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství
1
1 Automatizace výrobních procesů 1.1 Úvod, účel, historie Po celá staletí byla většina lidstva odsouzena k tvrdé a vyčerpávající práci. Fantazie člověka proto vytvořila nástroje a stroje, které pracovaly místo něho, samy od sebe a automaticky. První zprávy o mechanizaci se objevily v době faraónů ve svatém Egyptě, kde se používalo páry z ohřáté vody k otevření velkých chrámových vrat. První významné vynálezy v našem letopočtu se objevily v polovině 14. století. Byl to např. buben s kolíčky, který se dodnes používá jako kolíčkový program. Mezi konstruktéry automatů 16. století patří i Leonardo da Vinci, v jehož náčrtcích se nacházejí schémata různých mechanických pohybových prvků. Výrobní stroje se původně poháněly svalovou silou člověka, stroje většího výkonu potom svalovou silou zvířat. Z období kolem roku 1250 pochází například soustruh se šlapadlem, od něhož je veden provaz smyčkou kolem obrobku k zavěšené tyči, která působí jako vratná pružina. Koncepce tohoto pohonu uvolňuje obě ruce řemeslníka pro práci s nožem. Využití vodní síly k pohonu soustruhu se objevuje asi v polovině 14. století. Nahrazování svalové práce prací motorů se nazývá mechanizace. Mechanizace umožňuje zvýšení výkonnosti určité technologie až na hranici příslušných technologických podmínek. Vyšší formu výroby než jakou umožňuje mechanizace, poskytuje automatizace. Je založena na samočinném řízení a samočinné kontrole průběhu určitého úkonu nebo souboru úkonů tvořících jistý výrobní proces. Automat je slovo řeckého původu, jehož význam je spojován se zařízením, které plní samočinně, bez trvalého řídícího vlivu člověka jisté funkce. Automatizace výrobních procesů je jedním z významných směrů dalšího vývoje realizace všech druhů technologií. Vývoj automatů těsně doprovází od počátku vývoj výrobních strojů a projevy automatizace se objevují v celé řadě zařízení v rámci činnosti člověka. Například již ve 14. století byla realizována myšlenka o řízení prostřednictvím po sobě přicházejících instrukcí – povelů. Jde o konstrukce zvukových hracích strojů, které byly ovládány prostřednictvím otáčejících se válců na povrchu opatřenými ostny. V r. 1808 Joseph M. Jacquard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje. Plechová děrná karta byla předchůdcem moderních výměnných nositelů programu. M Fourneaux si patentoval v r.1863 automatický klavír, světoznámý pod označením pianola. Mechanika klavíru byla ovládána stlačeným vzduchem na základě informací uložených na 30 cm širokém papírovém pásu; tento princip byl dále rozvíjen, takže byla později možné řídit i sílu úderu a rychlost pohybu programového pásu. Byl objeven papír jako nositel informace a způsob řízení pomocných funkcí. Od počátku 20. století se objevují ve strojírenské výrobě vysoce automatizované obráběcí stroje vykonávající v řadě fází různorodé operace. Ve 20. letech jsou v amerických automobilkách v provozu automaticky pracující galvanické pokovovací linky obsluhované programově řízenými manipulátory. V roce:
2
1938 – Claudie E. Shannon ve své doktorské práci obhájené na M.I.T. (Massachutts Institute of Technology) uvádí závěr o vhodnosti lineárního vyjádření informací pro jejich přenos a rychlé zpracování. Pro realizaci této myšlenky se ukázaly jak vhodné jsou elektrické ovládací prvky.Tím byly položeny základy principu činnosti dnešních počítačů a číslicového řízení. 1946 - Dr. John W.Mauchly a Dr. J. Presper Eckert dodávají první elektronický digitální počítač ENIAC americké armádě. Byla dosažena úroveň elektronického zpracování dat. 1949 -1952 – John Pardon a M.I.T. vyvinuli na zakázku amerického letectva (US Air Force) systém řízení polohy vřetene obráběcího stroje na základě výstupu počítače. Byly použity čtyři podstatné myšlenky: 1. vypočítané body dráhy se ukládají na děrnou kartu 2. děrné karty se čtou automaticky na stroji 3. čtené pozice bodů jsou postupně uvolňovány z karty, přičemž jsou interně vypočítány 4. servomotory ovládají pohyby jednotlivých os. Na tomto stroji bylo možné obrábět složité tvary součástí letadel. 1952 - na M. I. T. je uveden do provozu první číslicově řízený obráběcí stroj - Cincinati s vertikálním vřetenem. Řídící systém byl postaven z elektronek, umožňoval simultánní pohyb ve třech osách (3 D lineární interpolace), informace byly soustředěny prostřednictvím lineárního kódu na děrné pásce. 1954 – Bendix koupil od J. Parsonse patentová práva a průmyslově vyrábí první NC systémy (numerical control - číslicově řízený systém, jehož děje jsou řízeny přímým vkládáním číslicových údajů ), zatím na bázi elektronek 1957 – americké letectvo instaluje ve svých výrobních závodech první NC frézovací stroje. 1958 – vznikl první symbolický programovací jazyk APT a byl aplikován ve spojení s počítačem IBM 704. 1960 – první německý NC stroj byl vystaven na veletrhu v Hannoveru. 1972 – v rámci NC systému byl uplatněn sériový minipočítač a tím byla otevřena cesta k vyšší generaci CNC systémů (Computer Numerical Control – počítačem řízený číslicový stroj). 1984 – vznikají výkonné CNC systémy s grafickými programovacími prostředky. Automatický provoz výrobních strojů, zařízení, systémů si nelze představit bez automatické manipulace, která automatickou činnost technologických prostředků ve většině případů přímo podmiňuje. Symbolem automatizace je v posledních letech průmyslový robot. První konstrukce robotů, které blíže souvisí s dnešními představami o jejich podobě vznikaly po roce 1954. Výraznější zájem o automatizaci diskrétních procesů byl vyvolán až na počátku sedmdesátých let významnými změnami v technologii a v koncepcích výrobních strojů. Vývoj výrobních strojů je již dlouhou dobu doprovázen vývojem manipulačních zařízení.
3
Počátek vývoje manipulátoru i průmyslových robotů je třeba hledat v daleké minulosti, a to i v úplně jiných souvislostech. Již z antiky pocházejí legendy o králi Mínoovi, který dal zhotovit železného člověka, který měl v chrámu přítomným ukazovat zákonodárné desky. Konstruktérem pohyblivých figurín byl také egyptský faraón Ptolemaios II. Philadelphos. Na počest Alexandra Makedonského přivedl pohyblivou sochu nymfy Nysy, která seděla na voze, postávala a nalévala mléko do poháru. Do vývoje automatických hříček přispěl významně i arabský svět. Proslulý je orloj z Gazy, popsaný bizanským spisovatelem Prokopiem v 6. století našeho letopočtu. V horní části automatu byla hlava Medusy s pohyblivýma očima, ve spodní části pohyblivá postava boha slunce a čas odbíjeli tři Herkulové. Středověk je obdobím rozvoje hodinových strojů, které byly často doplňovány dalšími automatickými mechanismy. V pozůstalosti velkého umělce a vědce Leoparda da Vinciho je řada skic zvířecích figurín s mechanickými kloubovými závěsy a skicy jednoduchých řídících mechanismů - např. k ovládání houslového klavicembala. V dnešní době je automatizace prostředkem k dosažení nových efektů snad všech aktivit člověka a manipulátory a roboty pronikly již skoro do všech oborů. Objevují se na automatech v kosmu či na ponorkách pod vodou. Teleoperátory v medicíně jsou precizní prostředky k realizaci záměrů chirurga podle programu vytvořeného počítačovým tomografem. Zcela odlišnou, a ne poslední aplikací je řešení rizikových situací při protiteroristických akcích, likvidacích požárů apod. Realizace cílevědomé činnosti je vázána na vliv výsledků porovnání souborů informací o požadovaném a skutečném stavu dané činnosti. Obecný princip je znázorněn na obr. 1.
Obr. 1 Obecné schéma
4
1.2 Technologické uplatnění Výrobky jsou hmotné objekty, vznikající účinkem jistých úkonů, které se označují jako pracovní nebo technologické operace. V rámci technologických operací se mění vstupní geometrické, fyzikální, chemické parametry výchozího materiálu (polotovaru) na výstupní parametry výrobku. Celková změna parametrů v rozmezí vstupního a výstupního stavu může být uskutečněna současně nebo v rámci navazujících oddělených operací. Soubor operací, které se podílejí na celkovém přetvoření polotovaru na výrobek tvoří technologický proces. Technologické operace se uskutečňují prostřednictvím výrobních strojů a zařízení. Každé technologické operaci je přiřazena technologická pozice. Soubor technologických pozic a jejich vztahy tvoří strukturu výrobního stroje nebo zařízení. Rozsáhlejší soubory technologických pozic se označují jako technologický (výrobní) systém. Realizace technologických operací je vázána na ovládání (řízení) toku energie a hmoty prostřednictvím jistých informací. Základním principem řízení určité operace je vyhodnocování souboru informací o požadovaném vlivu a skutečném stavu působení dané operace. Pro realizaci technologické operace nebo souboru operací lze uvést blokové schéma dle obr. 2. Legenda:
H – hmota (materiál, polotovar, pracovní pomůcky, nástroje) E – energie I – informace
Obr. 2 Blokové schéma Reálnou podobu technologické pozice si můžeme představit jako zařízení, která transformují vstupní veličiny (Hx; Ex; Ix) na výstupní (Hy; Ey; Iy) reprezentující hlavní výstup pozice (přetvořená hmota – dokončený výrobek) a na veličiny (H x; Ex; Ix), které reprezentují k danému cíli činnosti dále nevyužité složky (odpad, otupené nástroje, použité pomůcky).
1.2.1 Úroveň automatizace Technologie výroby jistého objektu je realizována prostřednictvím příslušného pracovního cyklu. Pracovní cyklus je tvořen organizovanými vazbami mezi elementárními operacemi v prostoru tzv. technologických a skladovacích pozic a organizovanými vazbami mezi jednotlivými technologickými a skladovacími pozicemi. Organizované vazby mezi 5
elementárními operacemi v rámci uvedených pozic i mezi pozicemi jsou zajišťovány manipulačními a transportními funkcemi. Úroveň automatizace pracovních cyklů lze sledovat z řady hledisek. Jedním z nich je určování rozsahu automatizace v prostoru jedné technologické nebo skladovací pozice v těchto stupních : A1. Automatizace jednotlivých elementárních operací; A2. Automatizace souboru operací a jejich vazeb; A3. Automatizace všech operací a jejich vazeb. Technická realizace uvedených stupňů závisí na charakteru technologie, které se týká a její úroveň je v současné době na druhu technologie silně závislá. V oboru obráběcích strojů lze například za stupeň A1 pokládat základní verzi CNC stroje, u kterého je automaticky zajišťováno řízení polohy pohybových os na základě číslicového zadávání a odměřování rozměrů. V tomto případě je výměna a upínání objektů, stejně jako nástrojů, prováděna ručně a obsluha spouští technologický cyklus stroje. Jako stupeň A2 lze uvést koncepci horizontálního obráběcího centra s kruhovým otočným stolem a s automatickou výměnou nástrojů „Zásobník - Podavač - Vřeteno“ podle obr.3.
Obr.3 Horizontální obráběcí centrum Tento stroj vedle automatického řízení technologických pohybů je opatřen automatickou výměnou nástrojů. Na obr.4 je zobrazeno pětiosé obráběcí centrum, které zahrnuje soubor operací v prostoru jednoho stroje a odpovídá stupni automatizace A3. Centrum je opatřeno automatickou výměnou vřeten a nástrojů; nástroje jsou uloženy ve vertikálním řetězovém zásobníku.
6
Objekty obrábění jsou upnuty na technologických paletách soustředěných v zásobníku palet. Stroj je opatřen manipulačním systémem pro automatickou výměnu palet.
Obr.4 Obráběcí centrum Kombinace číslicově řízeného stroje s průmyslovým manipulátorem nebo robotem se označuje jako výrobní buňka. Zpravidla se používá pro obrábění specifických součástí nebo několika součástí s podobnou geometrií. Základem na obr. 5 je frézka se šesti CNC řízenými osami, která je obsluhována portálovým manipulátorem, který zajišťuje výměnu polotovarů a hotových výrobků, výměnu nástrojů, upínacích elementů a schopných hlavic určených pro vlastní činnost. Jednotlivé objekty jsou uloženy v paletových zásobnících. Výrobní linka umožňuje výrobu ozubení na různých objektech v malých dávkách.
7
Obr.5 Automatizovaná výrobní buňka Charakteristickým ukazatelem koncepce automatizované struktury výrobního systému je tzv. pružnost, čímž se rozumí schopnost přechodu na jiný program automatické činnosti reprezentovaný zpravidla typem zpracovávaného objektu. Z tohoto hlediska se rozlišují dvě mezní koncepce : 1. 2.
Pevné automatizované systémy; Pružné automatizované systémy.
Pevné (tvrdé) automatizované systémy jsou určeny pro zpracování zpravidla jednoho typu výrobku ve velkých sériích. Jde o zařízení používané v hromadné výrobě. Jednotlivé pozice jsou osazeny jednoúčelovými nebo stavebnicovými obráběcími jednotkami. Jednoúčelové stroje a linky se vyznačují vysokou produktivitou práce, ale neumožňují vyrábět více typorozměrů součástí. Charakteristickou vlastností pružných automatizovaných systémů je možnost zpracovávat určitý soubor typů objektu na základě rychlé – pružné změny programu. Moderními prostředky pro vytváření pružných výrobních struktur jsou automatické manipulátory a průmyslové roboty. Pružná automatizace se rozšířila v oblasti kusové a malosériové výroby. Častou realizací jsou svařovací pracoviště, sestavené z automatického svařovacího stroje, robotu a polohovacího manipulátoru. Pro pružnou automatizaci je charakteristický vyšší stupeň pružnosti při nižší produktivitě práce. Pro pružný výrobní systém se používá označení FMS (Flexible Manufacturing systém). Je složen ze dvou či více pružných výrobních buněk, které jsou spojené automatickým transportním zařízením (automaticky vedený vůz, regálový zakladač, počítačem řízený jeřáb
8
apod.), které dopravuje palety, obrobky a nástroje ze skladu obrobků a nástrojů ke strojům. Je to tedy počítačem řízený integrovaný komplex technologických pracovišť CNC, automatického řízení pro manipulaci s materiálem a nástroji, automatického měřícího a zkušebního zařízení s minimem ručních zásahů, s minimálním časem na seřízení, schopný vyrábět libovolné výrobky z určité skupiny výrobků podle daných možností a podle předem určeného plánu.
1.2.2 Výrobní stroje Příklady jednoúčelových strojů a automatických obráběcích linek realizovaných pro automobilový průmysl: 1)
Obráběcí linka k opracování držáků třmenů brzd, TOS Kuřim – OS
Skládá se ze čtyř pracovních 3D modulů kabinového provedení řízených CNC. Moduly jsou propojeny dopravníkem součástí. Linka je vybavena třískovým hospodářstvím a každý modul odsávacím zařízením. Takt linky : 28 sekund pro 2 kusy obrobku Příkon linky : 225 kVA Zastavěná plocha : 13,1 x 12,1 m2 Hmotnost : cca 56 000 kg
Obr.6 Brzdový třmen a obráběcí linka 2) Speciální linka, CNC řízená s automatickou manipulací pro kompletní obrábění vnějších kloubů řízení, TOS Kuřim – OS Linka je složena ze dvou strojů propojených portálovým manipulátorem. Je vybavena vstupním a výstupním zásobníkem obrobků. První stroj pomocí svislého NC suportu V3 soustruží z obou stran oko kloubu; rotační upínače jednotek V1 a V2 si součásti (3 kusy) automaticky po 1. operaci předávají na operaci 2. Druhý stroj (2D jednotka V4) vícevřetenovou hlavou obrábí otvor, čelo a závit dříku. Součásti se obrábí na polovině
9
otočného stolu; na druhé se vyměňují manipulátorem. Stroj je koncipován tak, že umožňuje výměnou polohovacích prvků a volbou nástrojů obrábění další součásti tohoto charakteru, eventuelně jen část operací (napři. dříku). Výkonnost stroje při 100 % využití : 360 ks/hod Zastavěná plocha : 77 m2 Hmotnost : 25 000 kg Příkon stroje : 70 kVA
10
Obr.7 Dispozice a foto obráběcí linky
3)
Propojení 7 frézovacích center FSQ DI v paletovém provedení pomocí automatického dopravníku palet, TOS Kuřim – OS
Užití stroje FSQ DI: Frézovací centrum FSQ DI je stroj stavebnicové koncepce a paletového provedení s lineárním výměníkem palet. Paletové uspořádání frézovacího centra umožňuje jeho využití jak jednotlivě při opracování součásti na jednom stroji, tak v kombinaci s více stroji (stejného provedení z hlediska velikosti, konstrukčního řešení a uspořádání výměnných palet) použitím tzv. lineárního systému – zřetězení.
11
Obr.8 Dispozice a foto frézovacího centra 4) Portálové obráběcí centrum s posuvným stolem a přesuvným příčníkem FRP(Q) 200/250/300/350/400 TOS Kuřim – OS Obráběcí centrum je určeno pro obráběni rozměrných a tvarově velmi složitých obrobků klasickou technologii i rychlostním obráběním. Základním znakem stroje je pevné lože, po kterém se v podélném směru posouvá stůl. Vedle lože jsou v základu stroje uchyceny stojany opatřené na horní části plochami pro vzájemné propojení mostem. Po svislých vedeních stojanů se pohybuje přestavitelný příčník s vedeními pro pohyb příčných saní. Ve svislém vedení příčných saní se posouvají vřeteníky s automaticky vyměnitelnými vřetenovými hlavami. Univerzálnost stroje, zejména z pohledu možné volby vřetenových hlav, umožňuje maximální přizpůsobení stroje technologickým požadavkům. Optimálním způsobem je možné zvolit typ vřetenové hlavy pro danou operaci a využít tak možnost maximálních řezných podmínek a pracovního prostoru stroje. Vysoký výkon a kroutící moment na vřetenu u vřetenových hlav s mechanickým náhonem vřetena se uplatní při hrubovacích operacích, vřetenová hlava opatřena elektrovřetenem umožňuje provádět na stroji s vysokou produktivitou i dokončovací operace.
12
Obr.9 Obráběcí centrum
1.2.3 Variabilní automatizovaná pracoviště Pružné výrobní systémy v Česku V našich současných podmínkách je téměř nepředstavitelné, že někdejší Československo bylo jedním z prvních stavitelů pružných výrobních systémů na světě. O to víc překvapující je fakt, že to bylo před více než 30 lety a některé z těchto systémů ještě donedávna pracovaly a možná i dosud pracují. První pružné výrobní soustavy typu integrovaných výrobních úseků – IVU byly realizovány v roce 1974 v dnešním podniku ZPS Zlín, TOS Kuřim a Kovosvit Sezimovo Ústí. Nesporným faktem je, že tyto systémy mají v kusové a malosériové výrobě své opodstatnění a že tyto systémy nabízí řada současných renomovaných výrobců obráběcích strojů. Jenom japonský výrobce Yamazaki Mazak Corp. instaloval již po celém světě více než 1000 pružných výrobních systémů. Z těchto počtů je zřejmé, že sestavit výrobní systém zdaleka již není předmětem "státních úkolů". S podklady výrobce si doslova každý může z nabízených stavebnicových modulů sestavit svůj vlastní pružný výrobní systém. Při tradiční české skromnosti lze začít základní stavebnicí, která sestává z jednoho stroje, 6 úložných míst pro palety a jedné nakládací stanice. Tuto sestavu pak můžete libovolně rozšiřovat až do výrobního systému s 8 obráběcími centry, 240 paletami a robotizovaným systémem nástrojového hospodářství (FMS). Vývoj těchto systémů postoupil již tak daleko, že nemusíte rozšiřovat jenom jeden typ obráběcího centra, ale můžete kombinovat svislé 5osé obráběcí centrum s vodorovným, případně i se svislým soustružnickým centrem. Můžete tak při úspěšném podnikání přidávat další a další palety i stroje a začít pracovat v jiných plánovacích dimenzích. V tom vám pomůže velice komfortní management paletového hospodářství, který vás přivede až na samý okraj kybernetických výrobních středisek s on line plánovacím systémem, jenž kompletně zohledňuje lidské i hmotné zdroje a automaticky provádí korekce plánu dle skutečného stavu výroby. K tomu nejsou třeba žádné průvodky ani čárové kódy, stačí občas monitorovat aktuální stavy na jednotlivých pracovištích a schvalovat nebo provézt 13
drobné úpravy automaticky korigovaného plánu. Základní stavebnice pružného výrobního systému Mazak byla poprvé vystavena na brněnské IMT 2006.
Obr.10 Víceprofesní pružná výrobní soustava v Japonsku 1 – laser, 2 – rozvod laserového paprsku, 3 – svařování, 4 – integrované obrábění, 5 – dokončovací operace, 6 – kompletace, 7 – laserový generátor, 8 – integrovaná montáž, 9 – pracoviště kontroly, 10 – hotové součásti, 11 – panel řízení, 12 – hrubování, 13 – zařízení pro podávání polotovarů, 14 – vyčkávací poloha, 15 – oblast přípravy, 16 – polotovary, 17 – navařování, 18 – zařízení pro odklon laserového paprsku, 19 – sklad, 20 – dopravní systém
Přínosy pružných výrobních systémů spočívají v tom, že: 1. 2.
Uspokojují poptávku po širším sortimentu a výrobkových modifikacích; Využívají zkušenosti a práci vysoce kvalifikovaných pracovníků, zabezpečují vysokou produktivitu práce, snižují počet pracovníků a jednotkové náklady; 3. Umožňují firmám rychle reagovat na změny na trhu a na požadavky zákazníků, zkracují dobu potřebnou na zavedení nových výrobků; 4. Rychlá reakce na požadavky zákazníků, rychlé dodání výrobků, umožňuje a opodstatňuje požadavek zvyšování cen výrobků; 5. Umožňují rychlejší rozvoj organizace.
14
Příklady realizace
Obr. 11 Pružná balící linka
Obr. 12 Pružné svařovací pracoviště
1.2.4 Kontrola automatizované výroby V automatizovaném výrobním procesu je jednou z podmínek jeho funkce automatické sledování technologického procesu. Náhrada člověka v technologickém procesu si vyžaduje vyvinout prostředky, nahrazující jeho kontrolní funkci. Struktura a rozsah kontrolní činnosti ukazuje na potřebu aplikovat technické prostředky, které zabezpečí následující oblasti: 1a)
kontrolu chodu technologického procesu (rozměry a poloha polotovaru, přídavky na obrábění, rozměry a odchylky obrobených ploch v průběhu obrábění, kmitání, sily obrábění); 2b)
kontrolu stavu nástrojů (opotřebení, vylomení);
3c)
kontrolu jakosti výrobků.
Kontrola chodu technologického procesu 15
Cíle kontroly chodu technologického procesu vycházejí z náhrady operátora. V případě účasti člověka v technologickém procesu, může na základě svých znalosti zasahovat do procesu. Při automatické kontrole musí být automaticky řešené následující úlohy: 1-
zabezpečit bezporuchovost operací;
2-
zabezpečit kvalitu výroby;
3-
zamezit prostojům;
4-
zabezpečit rozvoj poznatku o kontrole technologického procesu.
Když vycházíme ze struktury kontroly technologického procesu, můžeme rozlišovat tři fáze: - kontrolu před procesem obrábění - kontrolu během obrábění, - kontrolu po obrábění. Ke kontrole chodu technologického procesu se používají snímače založené na různých fyzikálních principech, snímající charakteristické veličiny řezného procesu. Snímané veličiny se monitorují a slouží k řízení procesu metodou zpětné vazby. Před obráběním upnutého obrobku, jak je zachyceno na obr. 13, se nejprve provede zjištění geometrie polotovaru a tím také přídavku na obrábění. Takovým způsobem lze zabránit kolizi při příliš velkých rozměrech polotovaru. K tomuto účelu je na nosiči nástrojů upevněna řádkovací kamera. Světelný zdroj na saních vytváří stínový obraz obrobku, který je snímán kamerou. Mikropočítač pak ze signálů kamery určuje průměr obrobku. Jestliže nástrojové sáně jednou vysokou rychlostí posuvu projely celou délku obrobku, je geometrie polotovaru známa. Okamžitý přídavek na obrábění může být zohledněn korekcí CNC programu.
Obr. 13 Optické zjišťování rozměrů polotovarů na soustruhu
16
AUTOMATICKÁ KONTROLA Mezi dvěma Během obrábění technologickými Po obrábění procesy Přídavek Správnost Tvar Kvalita (rozměr) Tvrdost polotovaru, Kvalita (rozměr, Povrch (tvar Správný polotovar palety přídavek, Poloha Tvar (změny) povrch) Poloha (změny) Kvalita (rozměr, přídavky, povrch) Korekce hodnot Rozměry Opotřebení (čas Opotřebení (neočekávané) Tvar kontaktu) Vylomení (výměna nástroje popř. Opotřebení Vylomení obrobku) Správný nástroj nástroje Plynulá tříska (výměna) Správné řezné podmínky (korekce) Kontrola Sběr údajů Statistika dat přítomnosti - Diagnostika Statistika chyb nástroje - Korekce (trendy, příčiny, - Stop systému odstranění)
Kontrola procesu
Kontrola nástroje
Kontrola polotovaru
Před obráběním
Obr. 14 Struktura automatické kontroly v automatizovaném výrobním procesu
Kontrola stavu nástrojů Při současném tempu automatizace obrábění, která směřuje k systémům s minimální lidskou účastí, se do popředí technologického výzkumu dostává otázka spolehlivosti jednotlivých prvků i subsystémů. Vzhledem k tomu, že nejvýraznější degradaci funkčních vlastností podléhá při obrábění nástroj, je nutné se věnovat právě jeho spolehlivosti v podmínkách automatizace technologických procesů. Spolehlivost jako obecná vlastnost řezného nástroje, souvisí bezprostředně se stavem ostří a se schopností plnit požadovaná technologická kritéria. Oba tyto parametry ovlivňují jeho efektivní využití ve výrobním procesu, jeho trvanlivost. Pro zlepšení ekonomičnosti práce na vysoce automatizovaných obráběcích strojích a v pružných výrobních systémech (PVS) je nezbytné zajistit pro nástroje hospodárné (optimální) řezné podmínky odpovídající trvanlivosti 5 až 20 minut. Za těchto řezných podmínek a zejména při řezných rychlostech odpovídajících těmto kritériím trvanlivosti, je nástroj často namáhán až na mez pevnosti, a to zejména při kolísání obrobitelnosti obráběného materiálu, popř. při obrábění přerušovaným řezem. Dochází pak často k lomům břitu nebo katastrofálnímu opotřebení břitu. Porucha břitu nástroje lomem narušuje plynulost práce automatizovaného stroje. Neníli lom včas signalizován, může nastat porucha následujících nástrojů, eventuálně může dojít k
17
poškození drahého obráběcího stroje. Sledování příslušných veličin je, zejména v automatizovaných bezobslužných systémech, nutnosti. Stupeň opotřebení břitu, poškození nástroje, kmitání nástroje a další charakteristiky mohou být použity k odhadu kvality obrobků (již během vlastního procesu obrábění), mohou sloužit za podklad k výměně nástroje nebo změně řezných podmínek. Sledováním stavu nástroje monitorovacím zařízením je možné: 1-
zabránit poškození nástroje a následnému poškození obráběcího stroje i při vysokých řezných parametrech, kdy obsluha stroje už nestačí reagovat; 1- optimálně využit nástroje, protože jejich výměna se uskuteční při dosažení skutečného a ne předpokládaného stupně otupení; 2- využít adaptivní řízení - sníží se strojní čas; 3- indikovat dotyk nástroje s obrobkem, což umožní přísuv nástroje k obrobku na dotyk zrychleným pracovním posuvem, resp. rychloposuvem a tím dojde ke zkrácení vedlejších časů; 4- signalizovat opotřebení, resp. poškození nástrojů apod. Kontrola jakosti výrobků Samotný význam automatizovaných výrobních systémů napovídá, že celý systém pracuje v automatizovaném režimu, a můžeme tudíž předpokládat, že musíme použit jiných prostředků technické kontroly, než je tomu v konvenční strojírenské výrobě. Dále také předpokládáme, že samotná kontrola ve výrobním systému má své poslání a musí svou úrovní automatizace splňovat podmínky automatizace celého automatizovaného výrobního systému. Velmi důležitým kritériem při navrhování subsystému kontroly je tvar obráběných součástí. Podle toho rozdělujeme automatizované výrobní systémy na systémy pro výrobu: 1-
skříňových součástí, 2- rotačních součástí. Podle umístění prostředků kontroly v automatizovaném výrobním systému pak dílčí kontrolní pracoviště dělíme na: 1-
přípravné pracoviště kontroly; 2- kontrolu u CNC obráběcích strojů (operační, pooperační, aktivní); 3- konečnou kontrolu. Je pochopitelné, že uvedená kritéria plně nevyčerpávají vše, co je nutné brát v úvahu při určování koncepcí kontroly v automatizovaném výrobním systému, ale jsou základním vodítkem pro navrhování subsystému kontroly. Vývoj prostředků kontroly pro automatizované výrobní systémy je v posledním období zaměřen především na taková zařízení, která zabezpečují na vysokém stupni automatizace úkoly měření a také jsou schopna (kromě sledování kvalitativních parametrů výroby) kvalitu průběžně ovlivňovat. Obráběcí centra se vyznačují dostatečnou přesností polohování pracovních orgánů. Proto se v široké míře aplikuje kontrola obrobků bezprostředně na stroji. Systém řízení se skládá z měřicí sondy umístěné ve vřetenu stroje v revolverové hlavě, nebo na stole stroje. Získané informace o obrobku slouží pro regulaci technologického systému.
18
Měřicí roboty Měřicí robot představuje účelný a rychlý prostředek pro souřadnicová měření. Velkou předností měřicích robotů proti souřadnicovým strojům je především velká měřicí rychlost 500 mm.s-1. U souřadnicových měřicích strojů se tato hodnota pohybuje kolem 70 mm.s -1. Velká měřicí rychlost u robotů ovšem vede k menší přesnosti měření. Pojezdy robotu v souřadném systému i vyhodnocování výsledků měření je řešeno počítačem. Značná univerzálnost robotů dává předpoklady pro jejich konkrétní aplikace jak na pracovištích speciálně zaměřených ke kontrole v běžné strojírenské výrobě, tak na pracovištích kontroly v automatizovaných výrobních systémech.
Obr. 15 Uspořádání kontroly se dvěma měřicími roboty
Obr. 16 Pracoviště kontroly s měřicím a manipulačním robotem
19
1.2.5 Doprava a skladování v automatizované strojírenské výrobě Výrobní proces je realizací hmotného toku materiálu a výrobních pomůcek po výrobním systému.
Obr. 17 Struktura dopravního systému M – přípravna materiálu; N – přípravna výrobních pomůcek; EX – expedice; DM – mezistřediskový dopravní systém materiálu; DN - mezistřediskový dopravní systém výrobních pomůcek; Vn – výrobní střediska Začátek dopravního systému je v přípravnách. Dopravní systém propojuje přípravny s výrobními středisky, v nichž zajišťuje mezioperační pohyb na úroveň vstupů a výstupů technologických pracovišť. V rámci technologických pracovišť je prováděna operační manipulace. Mezioperační doprava se uskutečňuje mezi jednotlivými technologickými a kontrolními pracovišti a mezioperačními skladovými místy. Dopravní proces končí ve výstupní kontrole a expedici, kde je výstup celého výrobního systému. Při skladování materiálu dochází průměrně ke dvěma až šesti manipulačním operacím. Náklady na manipulaci s materiálem tvoří asi 35% z celkových nákladů na zpracování. Proto tato oblast vyžaduje maximální pozornost a potřebu účinně prosazovat nejprogresivnější metody a technické prostředky. Prostředky zajišťující skladovací proces v mezioperačních skladech a meziskladech jsou v hmotném vyjádření shodné, liší se však předmět jejich činnosti. Úkolem mezioperačních skladů je skladovat rozpracovanou výrobu, vytvářet zásobu připravené práce, skladovat vychystané soubory výrobních pomůcek a nástrojů, skladovat materiál před výstupem z mezioperačního skladu a především včas a spolehlivě vyskladňovat materiál a výrobní pomůcky na jednotlivá technologická pracoviště a z technologického pracoviště je opět odebírat. Je zřejmé, že především zásobování technologického pracoviště materiálem a výrobními prostředky v reálném čase klade vysoké nároky na frekvenci skladového prostředku. Naproti tomu mají mezisklady typicky skladový charakter, kdy nároky na kapacitu nejsou vyvolány okamžitou naléhavou potřebou technologických pracovišť. Automatizované sklady mají v pružných výrobních systémech (PVS) důležitou úlohu. Plní funkci příjmu, skladování, evidence a vydávání: 20
1- normativních zásob materiálů a polotovarů; 2- pomocného materiálu a prázdných palet; 3- nástrojů a přípravků; 4- obrobků; 5- náhradních dílů pro výrobní zařízení; 6- výrobních zmetků; 7- odpadů výroby. Nejvíce rozšířeným typem automatizovaného skladu v PVS je regálový sklad, obsluhovaný optimálně zvoleným skladovým zařízením.
Obr. 18 Regálový sklad Regálový sklad má buňky odpovídajících rozměrů. Objem a rozměry skladu jsou dané normativní zásobou materiálu, potřebného pro plynulý provoz PVS. Regálové sklady s automatickými svislými zakladači zabírají malý objem při vysoké kapacitě, mají vysokou pohyblivost a snadno se automatizují. Regálový zakladač zprostředkovává pohyb technologických palet mezi úložným místem v regálovém skladě a stykovým místem technologického pracoviště nebo pomocného pracoviště přípravny materiálů. Automatizovaný regálový sklad je sestavený z těchto základních prvků: 1- regálová konstrukce; 2- automatické stohovací zařízení; 3- zařízení na překládání palet (plných i prázdných) ze stohovacího zařízení do zásobníku; 4- zařízení na přepravu palet ze zásobníku na dopravní systém; 5- technické a programové prostředky systému automatického řízení. Funkce skladů se stále více mění. Skladové jednotky přestávají být místem, kde se materiál skladuje týdny a měsíce. Stále více se klade důraz na rychlou obrátku zásob. Materiál se má ve skladu zdržovat pouze krátkou dobu a pouze proto, aby se rychle předisponoval na jiné místo určení. Z tohoto důvodu se nutně musí věnovat skladovacím procesům ve výrobě větší pozornost. Skladem zapojeným do výroby prochází nejen veškerý materiál, dodávaný do výroby ke zpracování, ale i rozpracované a hotové výrobky apod. Skladování se tak stává jedním z účinných nástrojů řízení výrobního procesu.
21
Obr. 19 Regálový sklad s indukčně vedeným zakládacím vozíkem Důležitou součástí technologických pracovišť je automatizovaná operační manipulace se součástmi, výrobními pomůckami a s odpadem a její těsná návaznost na jejich mezioperační dopravu, pokud nedošlo k jejich integraci. Operační manipulace zajišťuje přesun součástí ze vstupního manipulačního místa pracoviště, kam je ukládá mezioperační doprava, buď do zásobníku, nebo přímo do pracovního prostoru stroje (transformačního prvku) a odtud po provedení operace na výstupní místo, odkud je přebírá mezioperační doprava a převáží na další pracoviště nebo do mezioperačního skladu. Výrobní pomůcky jsou ze vstupního místa přesouvány do pohotovostní polohy (např. do zásobníku nástrojů) na stroji a odtud zpět na výstup výrobních pomůcek. Odvod třísek a procesní kapaliny na výstup je prováděn buď jednorázově nebo průběžně. U bezobslužných pracovišť je součástí operační manipulace i operační skladování, jehož potřeba vyplývá z rozdílnosti frekvencí výroby uvnitř a vně pracoviště. Integrujícím prvkem pružných výrobních systémů i výrobních soustav nižšího řádu je mezioperační doprava a manipulace. Jejím úkolem je propojit navzájem manipulační místa vstupů a výstupů jednotlivých technologických pracovišť, místa vstupu a výstupu PVS a mezioperační sklad. Problém mezioperační manipulace se týká případného překládání obrobků z jednoho nosiče na druhý nebo se jedná o manipulační úkony s paletami, např. otáčení. Základním požadavkem na dopravní systém v podmínkách nižších typů výrob je vysoká pružnost, která umožňuje dopravu materiálu mezi dvěma zcela libovolnými manipulačními místy nezávisle na předcházejícím dopravním cyklu. Tím je zajištěna pružnost výrobní soustavy s širší součástkovou základnou. Uspořádání systému mezioperační dopravy v zásadě určuje hmotné uspořádání výrobní soustavy jako takové. Přitom musí být PVS vyřešen tak, aby za všech provozních podmínek byl zajištěn dostatečný přísun a odsun materiálu u všech technologických pracovišť a stejně tak musí být zajištěn přísun i odsun nástrojů a odsun odpadu. Důležité jsou rovněž technologické možnosti instalovaných technologických pracovišť v PVS, neboť určují charakter PVS jako jednostupňové (pouze nahrazující se technologická pracoviště), vícestupňové (pouze se doplňující technologická pracoviště) a kombinované (obsahují technologická pracoviště, která se vzájemně nahrazují i doplňují a jsou pro praktickou aplikaci nejdůležitější). 22
Automatizaci mezistřediskové dopravy obrobků a výrobních pomůcek lze řešit dvěma způsoby. Za prvé paletizovat výrobní pomůcky a dopravovat je pomocí mezioperační dopravy obrobků, za druhé dopravovat je pomocí zvláštního dopravního zařízení, které je určeno výhradně pro nástroje a výrobní pomůcky. Druhé řešení je zcela zřejmě pro plnou automatizaci nezbytné, ale zároveň velmi nákladné. Z hlediska možnosti automatizace jsou pro mezistřediskovou dopravu vhodné automatické prostředky dopravy propojitelné svými řídicími systémy na řídicím centru výrobního procesu. Z klasických prostředků budou nadále vykonávat mezistřediskovou dopravu jeřáby (zejména pro těžší manipulační jednotky) a vysokozdvižné vozíky, jejichž obsluhy lze vybavit např. vysílacími stanicemi a propojit je tak off-line s řídicím centrem mezistřediskové dopravy či dopravníky, nejjednoduššími dopravními prostředky z hlediska konstrukce (pásové, řetězové, válečkové a podvěsné s automatickým adresováním). Ve většině případů plní dopravníky kromě funkce přemísťování polotovarů i funkci zásobníku malého objemu. Řešení s využitím dopravníků zabezpečuje vysokou spolehlivost dopravních vazeb, jsou jednoduché a poměrně levné. Dalšími dopravními prostředky jsou automaticky řízené kolové vozíky, jejichž dopravní trasy lze pružně podle potřeby měnit nebo v případě havárie přechodem k ručnímu řízení předepsanou trasu opustit, a zajistit tak provoz dokud nebude překážka na trati odstraněna. V zásadě lze tyto prostředky rozdělit podle způsobu indikace dráhy. Představitelem vozíků, které sledují dráhu vytyčenou aktivním způsobem jsou indukčně vedené vozíky. Tyto vozíky jsou řízeny pomocí signálů vysílaných vodičem zapuštěným v podlaze a magnetickou indukcí předávaných řídicímu systému vozíku. Jejich nevýhoda tkví v tom, že v případě přerušení vodiče dojde k zastavení celé oblasti tímto vodičem řízené. K představitelům vozíků, které sledují pasivně vyznačenou dráhu, řadíme vozíky sledující magnetickou nebo optickou stopu v povrchu podlahy. Nevýhodou optického vedení je nutnost zachování naprosté čistoty, což je ve strojírenských provozech poměrně omezující podmínka. Obdobné omezení platí i pro magnetické vedení, k jehož poruše může při výskytu kovových částic (např. třísek) také dojít. Nejvhodnějším známým prostředkem je v současnosti systém indukčně vedených vozíků.
Obr. 20 Indukčně vedený vozík Zavedením vysokofrekvenční impulsní techniky do praktického použití v průmyslu byl dán podnět k postupnému vývoji stále dokonalejších soustav pro dopravu kusových 23
materiálů a hotových výrobků na vozících, pohybujících se bez mechanického vodícího členu (kolejnice), po předem určených drahách. Směrové řízení jízdy vozíků je u těchto systémů zabezpečeno vysokofrekvenčním způsobem prostřednictvím vodiče, který je uložen v podlaze výrobní haly v ose jízdní dráhy. Vodič tvoří vysílací anténu vysokofrekvenčního signálu, jehož zdrojem je stabilizovaný generátor. Vozík uvedený na dráhu, opatřenou kabelem napájeným vysokofrekvenčním signálem, nese dvojici přijímacích indukčních cívek. Jestliže dvojice cívek je umístěna symetricky po obou stranách vysílací antény v podlaze, indukuje se v obou cívkách napětí stejné velikosti. Řízení vozíku je ve správné poloze a vozík sleduje přesně předepsanou dráhu. Výhody systémů s indukčně vedenými vozíky: 1-
vysoká flexibilita co do dispozice dopravních tras a zastávek, které lze jednoduchým způsobem měnit, prodlužovat nebo zkracovat, což umožňuje vytvořit pružnou vazbu mezi situováním stroje a dopravního zařízení; 2- možnost automatizace provozu; 3- možnost instalace ve stávajících budovách bez zvláštních stavebních úprav (omezující je jen kvalita povrchu podlahy); 4- volné nezastavěné dopravní cesty umožňují neomezený pohyb; 5- v případě potřeby zvýšení dopravní kapacity lze problém řešit snadno nasazením dalších vozíků; 6- snížení hluku vznikajícího při dopravě; 7- mezioperační sklad se zakladačem lze situovat do periferních prostorů haly, čímž se optimálně využije disponibilní výrobní plocha; 8- možnost ručního řízení; 9- univerzálnost použití; 10- bezpečnost práce; 11- úspora pracovních sil a energie. Nevýhody systémů s indukčně vedenými vozíky: 1- větší pořizovací náklady; 2- zajišťování čistoty podlahy; 3- nelze běžně používat mimo zastřešené objekty; 4- sklon dráhy do 6 o/oo; 5-
určitý minimální poloměr otáčení (600 až 1000 mm).
24
