H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 1
1. AUTOMATYZACJA PRODUKCJI. ELASTYCZNOŚĆ SYTEMÓW
PRODUKCYJNYCH
Rozwój elektroniki, a zwłaszcza techniki komputerowej sprawił, Ŝe przestały
praktycznie istnieć techniczne ograniczenia w dziedzinie automatyzacji produkcji. MoŜna
uwaŜać, Ŝe przy pomocy współczesnej techniki, kaŜdy proces produkcyjny moŜna całkowicie
zautomatyzować, osiągając w ten sposób duŜą wydajność i wysoką jakość produkcji. Jedynym
ograniczeniem są koszty zakupu i wdroŜenia nowych technologii oraz ich eksploatacji, a więc
czynniki ekonomiczne.
Nakłady na zautomatyzowanie produkcji zaleŜą od stopnia automatyzacji procesu
wytwarzania. Są bardzo wysokie w przypadku pełnej automatyzacji procesu (obróbka,
kontrola, transport, składowanie, montaŜ) i duŜo mniejsze gdy automatyzuje się tylko niektóre,
wybrane operacje technologiczne. O wyborze stopnia automatyzacji procesu decyduje
kryterium opłacalności: poniesione nakłady muszą się zwrócić w moŜliwie krótkim czasie w
wyniku sprzedaŜy wyprodukowanych wyrobów. Decyzje związane z wyborem stopnia
automatyzacji mają więc charakter strategiczny i związane są z pewnym ryzykiem, gdyŜ:
-
brak lub zbyt niski poziom automatyzacji oznacza zwykle niŜszą jakość i wysokie
koszty produkcji, co nie pozwala na sprzedaŜ po konkurencyjnych cenach.
-
rynek moŜe się okazać zbyt mały aby wchłonąć taką ilość produkcji, która
zamortyzowałaby poniesione nakłady na zbyt daleko posuniętą automatyzację.
-
wyrób moŜe nagle przestać się sprzedawać.
Związane z tym ryzyko ogranicza się przez skrócenie serii produkcyjnych oraz częste
modyfikacje wyrobu, dostosowujące go do aktualnych wymagań rynku. Z tego powodu,
zarówno producent wyrobu finalnego jak i jego kooperanci muszą być przygotowani na częste
zmiany asortymentu produkcji, tzn. powinni być „elastyczni”.
Przez elastyczność produkcji naleŜy rozumieć zdolność do przestawienia parku maszynowego
na produkcję innego asortymentu, w krótkim czasie i małym kosztem.
Szczególną rolę w dziedzinie automatyzacji produkcji odegrała obróbka skrawaniem.
Jest to jedna z droŜszych metod kształtowania części, dzięki czemu nakłady poniesione na
zwiększenie wydajności obróbki szybko się zwracają.
JuŜ w latach 20-tych XX wieku budowano obrabiarki a nawet całe linie technologiczne
w pełni zautomatyzowane, uzyskując bardzo wysoką wydajność. Wadą ich było
przystosowanie do bardzo wąskiego asortymentu produkcji (taka forma automatyzacji jest
obecnie określana jako automatyzacja „sztywna”).
Przestawienie ich na produkcję innego asortymentu było często niemoŜliwe, a w najlepszym
razie bardzo kosztowne i wymagające zatrzymania produkcji na dłuŜszy czas, poniewaŜ
wymagało przeróbki lub wymiany mechanicznych zespołów sterujących. Przykładem mogą
być bardzo wydajne automaty o sterowaniu krzywkowym. Nieco bardziej elastyczne były
kopiarki, gdzie wymiany wymagał tylko wzornik.
Elastyczna automatyzacja procesu obróbki stała się moŜliwa w latach 60-tych XX
wieku gdy powstały obrabiarki numerycznie sterowane i centra obróbkowe, gdzie zmiana
asortymentu produkcji wymagała głównie uruchomienia nowego programu sterującego
obrabiarką. W tym przypadku przestawienie maszyny na inną produkcję jest naprawdę
szybkie, a koszty ograniczają się do nowego oprogramowania. Jednocześnie bardzo wzrosła
dokładność obróbki, pozwalając na skoncentrowanie na jednej obrabiarce obróbki zgrubnej i
wykańczającej, przy czym ta ostatnia pozwala często wyeliminować stosowaną wcześniej
obróbkę przez szlifowanie.
Za najbardziej zaawansowaną pod względem automatyzacji formę produkcji uwaŜa się
Elastyczne Systemy Produkcyjne (ESP, ang. FMS – Flexible Manufacturing System). Są to
systemy przeznaczone do obróbki bardzo zróŜnicowanego asortymentu części na centrach
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 2
obróbkowych, współpracujących z automatycznymi systemami transportu i składowania
części. Dzięki całkowitej automatyzacji procesu, taki system moŜe pracować bezobsługowo
(tzn. wymaga jedynie nadzoru) na II i III zmianie a takŜe w dni ustawowo wolne od pracy..
Największy rozwój tych systemów przypada na lata osiemdziesiąte. Liczbę tych systemów na
ś
wiecie szacuje się w tej chwili na kilka tysięcy, są to głównie systemy oparte na jednym
centrum obróbkowym, zwane Autonomicznymi Stacjami Obróbkowymi (ASO). Obecnie
zainteresowanie przemysłu tymi rozwiązaniami bardzo spadło, gdyŜ ich eksploatacja okazała
się droga, a bezobsługowość problematyczna.
Mimo olbrzymiego rozwoju zautomatyzowanych form produkcji nadal duŜe znaczenie
ma klasyczna produkcja warsztatowa wykonywana na nie zautomatyzowanych obrabiarkach
konwencjonalnych. Ciągle jest to najbardziej elastyczna struktura. Ci sami pracownicy, na tych
samych obrabiarkach mogą wykonywać bardzo zróŜnicowane części i zmiana asortymentu nie
wymaga prawie Ŝadnych inwestycji. Jednak brak automatyzacji sprawia, Ŝe wydajność tych
systemów jest niewielka nawet gdy stosuje się wyspecjalizowane oprzyrządowanie
technologiczne, przez co konkurowanie z produkcją zautomatyzowaną w dziedzinie produkcji
wielkoseryjnej i masowej jest niemoŜliwe. Natomiast w produkcji jednostkowej jest to ciągle
forma dominująca i nie naleŜy się spodziewać aby nawet w dalszej przyszłości całkowicie
zanikła. Wręcz odwrotnie, zwiększony popyt na takie usługi jak naprawy, adaptacje,
wykonywanie prototypów itp. sprawiają, Ŝe firmy obrabiarkowe stale modernizują swoją ofertę
obrabiarek konwencjonalnych a nawet starsze wiekiem maszyny ciągle są eksploatowane. Na
rys.1.1 pokazano zakres zastosowań omawianych form produkcji.
Rys.1.1 Zakres zastosowań róŜnych form produkcji
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 3
Rysunku nie naleŜy traktować zbyt dosłownie, bowiem granice zaznaczonych obszarów są
niemoŜliwe do sprecyzowania. Nie są to wszystkie moŜliwości. Z pewnością znajdziemy wiele
przykładów rozwiązań, które z powodzeniem sprawdzają się w przemyśle a nie znalazły swego
miejsca na rysunku.
Automatyzacja produkcji stwarza nowe wymagania dla wszystkich pracowników
zatrudnionych w przedsiębiorstwie. Dla kierownictwa firmy oznacza konieczność zatrudnienia
pracowników o wyŜszych kwalifikacjach, a więc wyŜej uposaŜonych. Dla osób
uczestniczących w przygotowaniu produkcji oznacza praktyczne opanowanie bogatego
oprogramowania komputerowego. Od osób odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu wymaga
się umiejętności szybkiego zlokalizowania usterek, do czego potrzebna jest często wiedza z
zakresu mechaniki, automatyki przemysłowej i informatyki. RównieŜ obsługa maszyn w coraz
większym stopniu przypomina obsługę komputera, niŜ tradycyjną pracę frezera lub tokarza.
Problemy stwarza takŜe ogromne bogactwo środków technicznych jakie moŜna zastosować
przy rozwiązywaniu róŜnych zadań z dziedziny konstrukcji, technologii i obróbki. Chodzi o to,
aby do rozwiązania konkretnych zadań sięgnąć po te środki, które pozwolą wykonać tą pracę
nie tylko zachowując wysoką jakość, ale i w bardzo krótkim czasie. Wymaga to nie tylko
praktycznej znajomości współczesnych narzędzi pracy, ale takŜe działań opartych o zawodową
intuicję.
2. AUTOMATYZACJA W PROCESIE TECHNICZNEGO PRZYGOTOWANIA
PRODUKCJI
Elastyczność przedsiębiorstwa oznacza moŜliwość szybkiego wprowadzenia do
produkcji nowego wyrobu. Wymaga to wykonania w krótkim czasie następujących prac
mających na celu zdobycie i realizację zamówienia:
-
przygotowanie oferty. Często procedury przetargowe wymagają przedstawienia bardzo
szczegółowego projektu, popartego poglądową prezentacją produktu.
-
opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej. Te prace obejmują zwykle dokumentację
prototypu, oraz jej weryfikację polegającą na uwzględnieniu zmian wprowadzonych
podczas badań (np. atestacji)
-
opracowanie dokumentacji technologicznej. W przypadku seryjnej produkcji wyrobu
jest to często konieczne równieŜ ze względów formalnych (certyfikaty jakości)
2.1 Przygotowanie produkcji nowego wyrobu
Rys. 2.1 Przepływ informacji w procesie technicznego przygotowania produkcji
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 4
Dla procesu technicznego przygotowania produkcji nowego wyrobu waŜne jest, aby załoŜenia
marketingowe zawierały: wymagane parametry techniczne wyrobu, cechy uŜytkowe i estetykę
(image) wyrobu i przewidywaną wielkość sprzedaŜy.
Dokumentacja konstrukcyjna w jednoznaczny sposób musi opisywać budowę wyrobu (nie
określa natomiast sposobu jego wytwarzania) Typowe dokumenty: rysunki zestawieniowe,
rysunki wykonawcze części, schematy instalacji elektrycznych, pneumatycznych,
hydraulicznych itp., specyfikacje części do wykonania, specyfikacje elementów normalnych i
handlowych, warunki odbioru technicznego.
Dokumentacja technologiczna opisuje sposób wytwarzania wyrobu – wykonania kaŜdej części,
montaŜu i kontroli. Przygotowując produkcję seryjną opis ten powinien być bardzo
szczegółowy i zawierać m.in.: Podział procesu technologicznego kaŜdej części na operacje,
określenie pracochłonności dla kaŜdej operacji, instrukcje dla pracownika wykonującego kaŜdą
operację, wykaz stosowanych narzędzi, uchwytów i przyrządów pomiarowych, dokumentację
oprzyrządowania technologicznego wymagającego zaprojektowania i wykonania,
oprogramowanie obrabiarek CNC itd.
Dla produkcji jednostkowej dokumentację technologiczną upraszcza się, powierzając
częściowe opracowanie technologii pracownikom np.: dobór parametrów technologicznych,
prostsze oprogramowanie obrabiarek CNC. Kwalifikacje tych pracowników muszą być duŜo
wyŜsze.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 5
2.2 Prototyp i seria informacyjna
Rys. 2.2 Procedura wdraŜania wyrobu do produkcji seryjnej
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 6
2.3 Systemy komputerowego wspomagania prac inŜynierskich (CAE)
Szybka realizacja tych zadań jest moŜliwa dzięki zautomatyzowaniu wielu prac inŜynierskich
przez wyspecjalizowane oprogramowanie, z którego największe znaczenie mają:
-
systemy CAD (Computer Aided Design) wspomagające prace związane z
projektowaniem wyrobu i edycją dokumentacji konstrukcyjnej.
-
systemy wspomagające pracę technologa nad przygotowaniem dokumentacji
technologicznej, w tym systemy CAM (Computer Aided Machining) pozwalające w
trybie półautomatycznym przygotować programy dla maszyn ze sterowaniem CNC.
Znaczne przyśpieszenie prac nad wprowadzeniem do produkcji nowego wyrobu daje
Komputerowa Integracja Wytwarzania (CIM - Computer Integrated Manufacturing).
Określenie to dotyczy przepływu informacji i oznacza, Ŝe podstawową formą kaŜdego
dokumentu jest zapis elektroniczny w postaci zbioru komputerowego. Dzięki sieciom
komputerowym dokumenty w tej postaci mogą być bardzo szybko przesyłane pomiędzy
pracownikami realizującymi poszczególne etapy prac nawet wtedy, gdy robią to róŜne firmy
bardzo od siebie oddalone. W razie potrzeby dokumenty mogą być edytowane w tradycyjnej
„papierowej” postaci (np. gdy przedmiot wykonywany jest na obrabiarkach konwencjo-
nalnych). Szczególne znaczenie dla przyśpieszenia prac ma elektroniczny zapis dokumentacji
konstrukcyjnej w technice trójwymiarowej (3D). Jest to przestrzenny zapis geometrii kaŜdej
części, generowany przez system CAD, który umoŜliwia niemal bezpośrednie przetworzenie
go w systemie CAM na program sterujący obrabiarką CNC. Zapis trójwymiarowy ułatwia
takŜe działania związane z serwisem i marketingiem (generowanie rysunków eksplodowanych
do katalogów części zamiennych, rysunki poglądowe do instrukcji obsługi, materiały
promocyjne).
Rys. 2.3 Zastosowania zapisu 2D i 3D i najczęściej stosowane formaty zbiorów
Do zapisu konstrukcji stosuje się grafikę wektorową (dwg, dxf, igs ...) Tylko ten zapis daje
dokładność umoŜliwiającą półautomatyczne uzyskanie programów sterujących obrabiarkami
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 7
CNC. Grafika rastrowa (JPG, bmp, pdf ...) stosowana jest tam gdzie dokumenty uŜywane są w
tradycyjnej „papierowej” postaci.
Systemy CAD zawierają programy: kreślarskie, obliczeniowe, bazy danych typowych
elementów, programy wizualizacji konstrukcji.
Systemami CAM najczęściej określa się oprogramowanie pozwalające na przetworzenie
komputerowe rysunku CAD-owskiego na program sterujący obrabiarką CNC.
Rys. 2.4 Schemat przetwarzania danych w systemach CAM (Computer Aided Machining)
Oprogramowanie komputerowe przeŜywa okres bardzo szybkiego rozwoju. Producenci
software’u oferują co roku nowe wersje o zwiększonych moŜliwościach. Systemy CAD/CAM
pozwalają na zaprojektowanie części i jej przetworzenie do postaci programu na konkretną
obrabiarkę CNC bez opuszczania systemu. RównieŜ układy sterowania CNC zawierają coraz
więcej funkcji systemów CAD i CAM, dzięki czemu zaprojektowanie i wykonanie prostych
przedmiotów moŜna zrobić z pulpitu obrabiarki bez konieczności uŜywania osobnego
komputera.
3. AUTOMATYZACJA OBRÓBKI SKRAWANIEM
3.1 Dokładność i wydajność obróbki skrawaniem
Obróbka zgrubna i wykańczająca – 14.....6 klasa dokładności
Parametry obróbki – prędkość skrawania, posuw, przekrój warstwy skrawanej
Prędkości skrawania stali miękkiej typowymi materiałami ostrzy:
Stal węglowa-80m/min, stal szybkotnąca-110, węglik spiekany-200, spiek ceramiczny-400,
węglik powlekany-500
Technologia HSC, przykład: skrawanie aluminium z prędkościami 2000m/min
Wymagania: bardzo duŜa dokładność, sztywność, trwałość, niezawodność.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 8
Spośród znanych metod kształtowania części, obróbka skrawaniem wyróŜnia się bardzo
korzystną relacją między dokładnością i wydajnością.
3.2 Systemy produkcyjne.
Produkcja warsztatowa, obrabiarki CNC i centra obróbkowe (CNC machining), spaletyzowane
centra obróbkowe, autonomiczne stacje obróbkowe ASO (FMC-Flexible Manufacturing Cell),
elastyczne systemy produkcyjne ESP, (FMS-Flexible Manufacturing System)
Bezobsługowa praca systemu produkcyjnego – wykorzystanie 2 i 3 zmiany oraz dni ustawowo
wolnych od pracy.
3.3 Porównanie efektywności obróbki w róŜnych systemach produkcyjnych
Efektywność obróbki skrawaniem, której wskaźnikiem jest procentowy udział czasu
głównego („pod wiórem”) do nominalnego funduszu czasu pracy obrabiarki, jest w stosunku
do innych metod kształtowania części, bardzo niska. W przypadku nie zautomatyzowanych
obrabiarek konwencjonalnych, szacuje się, Ŝe jest to ok. 3% (rys.3.1).
Rys. 3.1 Wykorzystanie funduszu czasu pracy w zaleŜności od stopnia automatyzacji obróbki
skrawaniem.
Wprowadzenie obrabiarek CNC i centrów obróbkowych pozwala na przyśpieszenie
czynności pomocniczych takich jak ruchy ustawcze, wymiana narzędzia, pomiary, mocowanie
przedmiotu, dzięki czemu wskaźnik ten moŜna podnieść do ok. 8%. W Elastycznych
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 9
Systemach Produkcyjnych, dzięki ich bezobsługowej pracy, moŜna wykorzystać dni ustawowo
wolne od pracy oraz 2 i 3 zmianę, dzięki czemu ten wskaźnik wynosi ok.30% (10 razy więcej
!) Automatyzacja pozwala skoncentrować w jednej operacji technologicznej duŜą liczbę
zabiegów, co zwiększa dokładność wykonania, eliminuje lub ogranicza konieczność
składowania i transportu międzyoperacyjnego. Automatyzacja obróbki skrawaniem pozwala
więc na szybki zwrot, nawet wysokich nakładów na jej wprowadzenie. Dlatego dziedzina ta
zawsze była dobrą „poŜywką” dla wdraŜania wielu osiągnięć nauki i techniki takich jak:
napędy elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne, serwonapędy, układy pomiarowe,
sterowanie numeryczne itp. Większość tych rozwiązań znalazła później zastosowanie w innych
technikach wytwarzania: robotach przemysłowych, cięciu plazmowym i laserowym,
numerycznym wykrawaniu blach itp.
Przytoczone wyŜej argumenty przemawiałyby jednoznacznie za trzecią, najdalej
posuniętą automatyzacją procesu obróbki. Pamiętajmy jednak, Ŝe na opłacalność automatyzacji
wpływają równieŜ takie czynniki jak: konieczność zatrudnienia pracowników o wysokich
kwalifikacjach w procesie technicznego przygotowania produkcji, utrzymania ruchu (serwis i
logistyka), nadzoru (podczas pracy bezobsługowej) Uwzględniając to, a takŜe wysokie koszty
eksploatacji maszyn, opłacalność systemów bezobsługowych takich jak ASO i ESP moŜe
okazać się duŜo mniejsza a nawet problematyczna. Spadek zainteresowania przemysłu tymi
rozwiązaniami pozwala sądzić, Ŝe takie są wnioski z dotychczasowej eksploatacji istniejących
systemów. Okazało się, Ŝe podobne efekty ekonomiczne moŜna uzyskać na drodze kooperacji
z małymi firmami dysponującymi obrabiarkami CNC, co nie wymaga tak duŜych i
ryzykownych inwestycji.
4. CIĘCIE, WYCINANIE i ZAGINANIE
Części wycinane z blach i innych materiałów zawsze miały znaczący udział w konstrukcji
wyrobów produkowanych masowo a takŜe w krótkich seriach i jednostkowo. Produkcja ich
jest obecnie bardzo zaawansowana technologicznie. Przełomowe znaczenie miało
rozpowszechnienie się sterowania numerycznego (CNC) pozwalającego wykonać zarówno
jedną sztukę, jak i wielotysięczną serię bez konieczności uŜycia wyspecjalizowanych i drogich
narzędzi. Jest to technologia „elastyczna”. Urządzenia do cięcia współpracują z
oprogramowaniem CAD/CAM, co pozwala na najwłaściwsze rozmieszczenie ciętych
elementów na posiadanym materiale, pod kątem jego maksymalnego wykorzystania. Maszyny
do cięcia moŜemy podzielić na:
- cięcie i wykrawanie na prasach
- maszyny do cięcia laserem,
- maszyny do cięcia wodą,
- maszyny do cięcia plazmą.
4.1 Wykrawanie na prasach
Najstarsza z wymienionych metod. W wersji starszej, „sztywnej”, wymaga wykonania drogich,
wyspecjalizowanych narzędzi nazywanych wykrojnikami. Przy zastosowaniu wykrojników
uzyskuje się za to duŜą dokładność i wysoką wydajność - dlatego metodę tą stosuje się w
produkcji wielkoseryjnej i masowej. Najbardziej zaawansowaną pod względem automatyzacji
formą produkcji, są linie pras transferowych wykonujące zabiegi wykrawania, gięcia i
tłoczenia.
W wersji „elastycznej” stosuje się prasy numerycznie sterowane, posługujące się
zestawem automatycznie zmienianych, standardowych narzędzi. Cięcie i wykrawanie na
prasach numerycznie sterowanych jest często połączone z zaginaniem i tłoczeniem drobnych
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 10
fragmentów detali, co daje tym metodom pewną przewagę nad technologiami wymienionymi
dalej.
Spotykana czasami automatyzacja podawania i odbierania przedmiotów, przy pomocy
manipulatorów i robotów tylko w niewielkim stopniu podnosi wydajność produkcji. Stosuje się
ją głównie w celu podniesienia bezpieczeństwa obsługi pras.
4.2 Cięcie laserem
Jest to jedna z metod termicznego oddzielania materiału. Warunkiem uzyskania dobrej jakości
cięcia i wysokiego stopnia utrzymywania wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest
dokładnie prowadzony strumień tnący w połączeniu z najwyŜszej jakości maszyną do cięcia o
duŜej odporności na drgania i o dobrej własności powtarzania. Lasery są obecnie szeroko
stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w
procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw
sztucznych, drewna i ceramiki. Pozwalają równieŜ wykonywać znakowanie i opisywanie
wycinanych elementów.
Cięcie laserowe moŜna podzielić na następujące metody:
Cięcie przez odparowanie, które polega na tym, Ŝe materiał poddany działaniu zogniskowanej
wiązki ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego. Metoda ta jest stosowana do obróbki
materiałów nie ulegających topnieniu np.: drewno, niektóre tworzywa sztuczne.
Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie; materiał poddany obróbce, pod działaniem
zogniskowanej wiązki ulega stopieniu i jest usuwany strumieniem gazu obojętnego.
Zastosowanie np.: metale, w szczególności dobre wyniki daje cięcie ciśnieniowe stali
nierdzewnych.
Cięcie przez wypalenie, które polega na tym, Ŝe materiał poddany działaniu zogniskowanej
wiązki jest wypalany przez strumień tlenu lub mieszaniny gazów zawierającej tlen.
Zastosowanie: metale i inne materiały spalające się w wysokiej temperaturze. Jest to
najczęściej stosowana metoda cięcia, standardowa metoda dla stali węglowych.
Generowanie pęknięć termicznych – zogniskowana wiązka wywołuje napręŜenia cieplne,
powodujące pękanie materiału. Zastosowanie: materiały kruche, zwłaszcza szkło.
Maksymalne wartości cięcia elementów:
- dokładność +/- 0.1 mm
- stal konstrukcyjna do grubości 20 mm,
- stal nierdzewna do 15 mm,
- blachy aluminiowe do 10 mm,
- szkło organiczne (pleksi) do 30 mm,
- drewno do 35 mm,
- wycinanie arkuszy blach o wym. 4000 x 2000 mm i maksymalnym cięŜarze 1300 kg.
4.3 Cięcie wodą
Cięcie metalu wodą jest jedną z droŜszych metod. Skrawany materiał nie jest poddawany
mechanicznym przeciąŜeniom i oddziaływaniom termicznym, a otrzymana powierzchnia jest
zwykle zadowalająca i nie wymaga dalszej obróbki. Po cięciu otrzymujemy materiał o
niezmienionych własnościach fizyko-chemicznych. Strumieniem wody moŜemy ciąć
wszystkie gatunki stali. Cięcie wodą doskonale nadaje się dla obróbki materiałów trudno
obrabialnych innymi metodami, dla produkcji jednostkowej lub krótkoseryjnej. Powierzchnia
(przekrój) cięcia dla większości przypadków nie wymaga dalszej obróbki. Technologia cięcia
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 11
strumieniem wody pozwala na obróbkę materiałów o róŜnej grubości – maksymalna grubość
uzaleŜniona jest od wielu czynników, niemniej np. stal nierdzewną moŜna ciąć do grubości 100
mm – 150 mm.
Z uwagi na koszt eksploatacji, technologia cięcia wodą jest droga, nawet dla zakładów
ś
wiadczących usługi z tego zakresu.
Ponadto naleŜy zwrócić uwagę na fakt, iŜ:
- jest jedną z wolniejszych metod cięcia (moŜna przyjąć prędkości cięcia od 1mm/min dla
materiałów ciętych o grubości powyŜej 100mm i większych „twardych”, do prędkości około
2500 mm/min i więcej dla materiałów cienkich i „miękkich”)
-całość urządzenia jest produkcji zagranicznej, a tym samym materiały eksploatacyjne
(uszczelnienia, dysze, części zamienne itp.), z zasady bardzo precyzyjne i wykonane z drogich
komponentów, są tym samym bardzo drogie w zakupie.
Zaletami technologii cięcia wodą są:
- wspomniana wysoka jakość krawędzi ciętej,
- wysoka precyzja procesu cięcia, dokładność +/- 0.1 mm
- moŜliwość cięcia twardych materiałów o znacznej grubości,
- krótki okres realizacji od momentu otrzymania projektu,
- niska temperatura procesu – max 40°C (eliminuje to ryzyko zmian w strukturze materiału, nie
przypala krawędzi elementu wycinanego).
Materiały, które moŜna obrabiać za pomocą technologii cięcia wodą, to: stale węglowe,
nierdzewne, kwasoodporne, narzędziowe; metale kolorowe: aluminium, miedź, mosiądz itp.,
tytan, molibden; kamienie naturalne: granit, marmur, piaskowiec itp.; ceramika: płytki
ceramiczne i gresowe; guma i tworzywa sztuczne: m.in. poliuretan, poliamid, glastherm itp.,
Krawędzie przecinanych detali – w odróŜnieniu od obróbki laserowej – nie ulegają
odbarwieniom, utwardzeniu termicznemu oraz nie zachodzą w nich przemiany strukturalne
będące skutkiem oddziaływania cieplnego. Za pomocą tego rodzaju obróbki, moŜna
wykonywać skomplikowane wzory np.: posadzkowe z kamienia naturalnego i ceramiki, znaki
firmowe, loga naścienne lub posadzkowe – kompozycje mieszane z kamienia, stali
nierdzewnych, mosiądzu itp., meble, elementy wystroju wnętrz wykonywane jako kompozycje
łączone z marmuru, granitu, drewna, szkła, stali nierdzewnej i mosiądzu, uszczelki wszelkiego
typu z róŜnych materiałów (równieŜ zbrojonych), części maszyn i inne elementy wykonywane
ze stali, aluminium, miedzi, mosiądzu.
4.4 Cięcie plazmowe
Wykorzystanie łuku plazmowego, pozwalającego na cięcie wszystkich materiałów
przewodzących prąd elektryczny znalazło zastosowanie w przemyśle w latach 50-tych
ubiegłego wieku.
Operacje cięcia moŜna wykonać pod warstwą wody, co powoduje znaczne obniŜenie poziomu
hałasu. Proces cięcia plazmowego polega na stapianiu i wyrzucaniu metalu ze szczeliny cięcia
silnie skoncentrowanym plazmowym łukiem elektrycznym, jarzącym się między elektrodą
nietopliwą a ciętym przedmiotem. Plazmowy łuk elektryczny jest silnie zjonizowanym gazem
o duŜej energii elektrycznej, przemieszczającym się z dyszy plazmowej zawęŜającej go w
kierunku szczeliny cięcia z prędkością bliską prędkości dźwięku. Temperatura strumienia
plazmy zaleŜna jest od natęŜenia prądu, stopnia zwęŜenia łuku oraz rodzaju i składu gazu
plazmowego, i mieści się w granicach 10 000 – 30 000 K. MoŜliwe jest cięcie wszystkich
materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny. Proces cięcia plazmowego
stosowany jest do cięcia ręcznego i zautomatyzowanego stali i metali nieŜelaznych, z duŜymi
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 12
prędkościami. Dzięki wysokiej temperaturze łuku plazmowego cięcie rozpoczyna się
natychmiast, bez podgrzewania. Prędkość cięcia zaleŜy od grubości ciętego materiału.
Szczególnie róŜnice widać w zakresie grubości materiału od 5 do 25 mm.
4.5 Podsumowanie
Jak wynika z powyŜszych opisów, wybór właściwej technologii cięcia zaleŜy od bardzo wielu
czynników. Podczas prac projektowych, decyzję o wyborze technologii naleŜy oprzeć o
kalkulację kosztów, wykonaną przez konkretną firmę wykonującą tego typu usługi.
Wśród wymienionych technologii pominięto elektroerozyjne wycinarki drutowe. Jest to
technologia CNC dająca bardzo duŜe dokładności, ale ze względu na bardzo małą wydajność
stosuje się ją wyłącznie w produkcji jednostkowej, głównie do wytwarzania narzędzi
specjalnych.
5. ELASTYCZNE TECHNOLOGIE KSZTAŁTOWANIA ZŁOśONYCH BRYŁ
Klasyczną, „sztywną” technologią, jest wykonywanie odlewów metalowych w formach
piaskowych. Wymaga ona kosztownego oprzyrządowania: modelu, formy, rdzennic do
produkcji rdzeni, maszyn do ubijania mas formierskich, itd., dlatego stosuje się ją w produkcji
seryjnej. W produkcji wielkoseryjnej i masowej stosuje się formy metalowe. W produkcji
jednostkowej duŜe odlewy często zastępuje się konstrukcjami spawanymi a mniejsze,
częściami wykonanymi długotrwałą obróbką ubytkową.
5.1 Szybkie Prototypowanie (Rapid Prototyping) jest wspólną nazwą procesów szybkiej
budowy obiektów fizycznych na podstawie ich modeli komputerowych. Pozwala to w krótkim
czasie uzyskać elementy niezbędne do wykonania prototypu urządzenia. Wadą tych metod jest
podporządkowanie własności materiału procesowi technologicznemu a nie parametrom
uŜytkowym wyrobu. Dlatego, metody te są najczęściej wykorzystywane w celu wykonania
makiet przygotowywanego do produkcji wyrobu a nie w pełni funkcjonującego prototypu.
Większość technologii szybkiego prototypowania wykorzystuje zasadę dodawania materiału w
trakcie budowy obiektu, w przeciwieństwie do tradycyjnych procesów obróbki, kiedy materiał
jest usuwany. Jedną z najpopularniejszych technologii jest stereolitografia. Punktem wyjścia
procesu budowy modelu jest bryłowy projekt wyrobu (model wirtualny) przygotowany w
dowolnym programie CAD. Następnie przy uŜyciu dedykowanego dla aparatury programu
(odpowiednik CAM) przygotowuje się proces stereolitograficzny. Zasada metody
stereolitografii laserowej polega na warstwowym utwardzaniu Ŝywicy epoksydowej za pomocą
wiązki światła ultrafioletowego, generowanego przez laser małej mocy. Po wykonaniu
wszystkich warstw składających się na bryłę, model wyjmuje się z komory roboczej i poddaje
obróbce wykończeniowej. Polega ona na usunięciu struktur podpierających, a następnie na
mechanicznym obrobieniu niektórych powierzchni. śywice stereolitograficzne są łatwo
obrabialne, moŜna je równieŜ kleić, szpachlować i lakierować. Klejenie odbywa się przy
pomocy ciekłej Ŝywicy tego samego typu, którą następnie utwardza się przez naświetlanie UV.
5.2 Szybkie Tworzenie Form i Narzędzi (Rapid Tooling) stanowi etap kolejny - z
pojedynczego obiektu, najczęściej wytworzonego w procesie szybkiego prototypowania,
moŜna szybko wykonać formy do wytwarzania całej serii obiektów, np. przez napylenie
powłoki metalowej, nałoŜenie kompozytowej skorupy, lub zalanie gipsem albo tworzywem
silikonowym.
Wszystkie te technologie mogą słuŜyć do wytwarzania krótkich serii produktów z tworzyw
sztucznych - poliuretanów bądź tworzyw termoplastycznych. MoŜliwe jest takŜe zastosowanie
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 13
prototypów z materiału podobnego do wosku jako wzorców w odlewaniu metodą traconego
modelu.
Druk Trójwymiarowy jest procesem, który pozwala odlewać części z form wydrukowanych
przy pomocy specjalnych drukarek. Formy i rdzenie są drukowane warstwowo, za pomocą
specjalnego proszku – gipsowo-ceramicznego kompozytu odpowiedniego dla procesów
odlewniczych. Proces ten znacząco skraca czas i koszty produkcji odlewanych części poprzez
eliminację tworzenia wzorców i form w tradycyjnych metodach odlewniczych. Cykl
powstawania odlewu w oparciu o technologie druku 3D wygląda następująco:
1.
Model wirtualny (CAD)
2.
Projekt układu wlewowego (CAD)
3.
Projekt formy (CAD)
4.
Drukowanie formy
5.
Oczyszczanie formy po drukowaniu
6.
Wypiekanie formy
7.
Zamkniecie formy i zalewanie
8.
Kruszenie formy i wyjmowanie odlewu
5.3 InŜynieria Wsteczna. (Reverse Engineering) jest uŜywana w celu uzyskania
komputerowego modelu obiektu fizycznego (skanowanie przestrzenne), który jest konieczny
do zaprojektowania części, która moŜe być następnie wykonana technologią szybkiego
prototypowania lub na obrabiarkach CNC (kopiowanie numeryczne). Kopiowanie numeryczne
moŜna wykonać na centrach obróbkowych wyposaŜonych w sondy pomiarowe i odpowiednie
oprogramowanie układu CNC, lub na specjalnych maszynach pomiarowych.
6. AUTOMATYZACJA MONTAśU
MontaŜ polega na trwałym połączeniu ze sobą części wyrobu. MontaŜ niezautomatyzowany, a
zmechanizowany wykonywany jest przez człowieka przy pomocy narzędzi eliminujących duŜy
wysiłek fizyczny i zapewniających powtarzalność połączenia.
MontaŜ w pełni zautomatyzowany wymaga wykonania bez udziału człowieka szeregu
czynności przed i po wykonaniu samego połączenia:
- pobrania z zasobników transportowych części i odseparowania pojedynczych sztuk od
siebie.
- zorientowania części, czyli nadania jej wymaganego połoŜenia w przestrzeni.
- dostarczenia jej na miejsce montaŜu, często połączone z manipulacją w przestrzeni.
- pozycjonowania części względem siebie z duŜą dokładnościa.
- wykonania połączenia.
- usunięcia zmontowanego zespołu lub przekazania go do następnej operacji.
Urządzenia pozwalające wykonywać te czynności automatycznie wykorzystują indywidualne
cechy kaŜdego asortymentu montowanych części. Jednocześnie, koszt wykonania tych
urządzeń jest wysoki, co sprawia, Ŝe elastyczność systemów montaŜowych jest mocno
ograniczona. Wysokowydajne linie montaŜowe są zwykle strukturami „sztywnymi” zdolnymi
po przezbrojeniach wykonywać montaŜ co najwyŜej kilku asortymentów wyrobów bardzo do
siebie podobnych. Tą problematyczną „elastyczność” osiąga się kilkoma sposobami:
- stosując paletyzację, tzn. wyrób montowany jest na paletach dostosowanych do jednego
asortymentu. Przezbrojenie linii wymaga zmiany palet, ale zachowany zostaje cały system
transportu palet.
- projektując linię montaŜową tak, Ŝe umieszczone są w niej stanowiska montaŜowe
wykonujące wszystkie operacje dla całej grupy asortymentów. Linia moŜe mieć strukturę
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 14
szeregową bądź równoległą. Podczas produkcji kaŜdego asortymentu część stanowisk nie
pracuje. Czas przezbrojenia jest krótki, ale elastyczność jest ograniczona załoŜeniami
projektowymi linii.
- nadając linii montaŜowej modułową budowę, pozwalającą na szybką wymianę stanowisk
na właściwe dla aktualnego asortymentu montowanego wyrobu. Pozwala to w miarę
potrzeb dobudowywać nowe moduły w przypadku uruchamiania produkcji nowych
wyrobów.
Koszt budowy systemów montaŜowych moŜna znacznie zmniejszyć jeŜeli automatyzację
montaŜu uwzględni się podczas projektowania wyrobu i w poprzedzających go fragmentach
procesu produkcyjnego.
6.1 Projektowanie wyrobu z uwzględnieniem automatycznego montaŜu.
Połączenia stosowane w budowie maszyn moŜna podzielić na bardziej lub mniej wygodne do
zautomatyzowania:
- najkorzystniejsze połączenia to takie, które nie wymagają dodatkowych elementów
spajających, takich jak śruby, nakrętki, nity a więc elementów wymagających przed
montaŜem separowania, orientowania, manipulacji i pozycjonowania. Warunek ten
spełniają połączenia zatrzaskowe, zaginane i zgrzewane.
- nieco mniej wygodne dla automatyzacji są połączenia w których element spajający nie
wymaga orientacji a co najwyŜej dozowania. Przykładem są połączenia klejone i spawane.
- połączenia śrubowe naleŜą do kłopotliwych, gdyŜ wymagają automatycznego
separowania, orientowania, manipulacji i precyzyjnego pozycjonowania dostarczanych
ś
rub, nakrętek i podkładek. NaleŜy pamiętać, Ŝe kosztownym zabiegiem jest wykonanie
otworu gwintowanego w montowanej części.
Projektując geometrię części przewidzianej do automatycznego montaŜu, często opłaca się
umieścić w niej elementy zbędne z punktu widzenia konstrukcji, ale ułatwiające montaŜ:
- elementy ułatwiające orientację, np. doprowadzenie do symetrii kształtu pozwala na
orientację do dwóch, zamiast jednego połoŜeń.
- elementy pozwalające pozycjonować część z mniejszą dokładnością, np. fazy
wprowadzające w otworach, i czopach.
- elementy ułatwiające chwytanie przez manipulator i robota.
6.2 Uwzględnienie automatycznego montaŜu w projektowaniu procesu wytwarzania
części.
Jak to juŜ powiedziano, znacznych kłopotów w automatyzacji montaŜu przysparza konieczność
orientowania części. Urządzenia te są zwykle dosyć skomplikowane a co za tym idzie
kosztowne i bardziej zawodne. Oczywiste jest, Ŝe wyeliminowanie ich było by pod kaŜdym
względem korzystne. W wielu wypadkach moŜna to zrobić, odpowiednio projektując procesy
technologiczne montowanych części. Zwróćmy uwagę, Ŝe po zakończeniu obróbki, część jest
zwykle odseparowana od innych i jest zorientowana. JeŜeli jesteśmy w stanie zachować to do
chwili montaŜu, to nie będziemy musieli tych czynności wykonywać powtórnie na stanowisku
montaŜowym. MoŜna to zrealizować następująco:
- części po obróbce zostają zmagazynowane w sposób zorientowany i wraz z magazynkiem
dostarczone na stanowisko montaŜowe. Magazynki te mogą mieć róŜną postać. W
przypadku części wykrawanych na prasach mogą utrzymywać wykrojone detale w stosach
lub tworzyć taśmy przez pozostawienie niewielkich łączników między elementami,
odcinanymi przed samym montaŜem. Innym przykładem jest przekazywanie części do
montaŜu na paletach lub w taśmach.
- w niektórych przypadkach moŜna obróbkę umieścić w linii montaŜowej np.: wykrawanie
drobnych podkładek z miękkich materiałów, odcinanie i gięcie elementów z drutu itd.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 15
Nie zawsze powyŜsze zalecenia dają się zrealizować. Powodem są zarówno wymagania
konstrukcyjne (wytrzymałość złącza, moŜliwość rozebrania wyrobu) jak i ograniczenia natury
organizacyjnej (brak wpływu na technologię u kooperanta).
6.3 Typowe rozwiązania systemów montaŜowych
Stanowisko półautomatyczne. Wymaga najmniejszych inwestycji. Stanowisko montaŜowe
jest obsługiwane przez operatora, który ręcznie podaje montowane części. Zautomatyzowane
jest zwykle wykonanie samych połączeń. Zmontowany zespół jest ręcznie usuwany ze
stanowiska.
Zautomatyzowane stanowisko montaŜowe. Rola operatora ogranicza się do napełniania
zasobników z montowanymi częściami. Takie rozwiązanie umoŜliwia operatorowi jednoczesną
obsługę kilku stanowisk produkcyjnych.
Zautomatyzowana linia montaŜowa. Połączenie zautomatyzowanych stanowisk
montaŜowych systemem automatycznego transportu pozwala na wykonywanie większej ilości
operacji montaŜowych. System transportu moŜe mieć postać stołu obrotowego, transporterów
liniowych, transportu podwieszonego itd., aŜ do bezszynowych wózków obsługujących całą
halę. Jest to najbardziej zaawansowana forma automatyzacji montaŜu, ale teŜ i wymagająca
największych nakładów. Jest to struktura „sztywna”.
Zrobotyzowane gniazdo montaŜowe. Jest to struktura najbardziej elastyczna spośród
wszystkich wymienionych. Centralnym punktem gniazda jest robot przemysłowy, który w
swoim otoczeniu moŜe wykonywać czynności montaŜowe. Przestawienie samego robota na
inny asortyment produkcji jest czynnością nie wymagającą nakładów i nie powodującą
długiego przestoju w produkcji, gdyŜ polega na zmianie oprogramowania. Gorzej jest z
elastycznością jego otoczenia, gdyŜ tutaj potrzebna jest zwykle wymiana oprzyrządowania.
JeŜeli w otoczeniu robota daje się umieścić oprzyrządowanie dla dwu lub więcej
asortymentów, to przezbrajanie moŜna wykonać zawczasu, podczas montaŜu poprzedniego
wyrobu, a więc bez przestoju produkcji. Koszt takiego stanowiska jest wysoki, ale
rekompensuje go elastyczność. Gniazdowa struktura systemu montaŜowego znalazła
największe zastosowanie w budowie zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych.
6.4 Podsumowanie: Wzrost wydajności dzięki automatyzacji montaŜu jest zwykle niewielki w
stosunku do ponoszonych nakładów. Niewątpliwą zaletą jest wzrost powtarzalności montaŜu i
poprawa bezpieczeństwa pracy przez odsunięcie człowieka od stref zagroŜenia. Dlatego daleko
posunięta automatyzacja montaŜu jest opłacalna tylko w przypadku produkcji seryjnej i
masowej.
7 AUTOMATYZACJA KONTROLI JAKOŚCI
7.1 Zarządzanie jakością – system ISO 9000
Za prowadzenie kontroli jakości produkcji całkowitą odpowiedzialność ponosi producent
wyrobu. Aby odbiorca wyrobu miał gwarancje dostaw dobrej jakości producent ma obowiązek
udostępnić odbiorcy wgląd w proces kontroli. Zwykle za odbiorcę oględzin tych dokonuje
niezaleŜny audytor, który stwierdzając zgodność z wymaganymi zasadami (np. systemem ISO
9000) wystawia odpowiedni certyfikat. System ISO 9000 jest zbiorem norm określających
zasady prowadzenia kontroli jakości produkcji w całym przedsiębiorstwie. System ten
przykłada szczególnie duŜą wagę do starannego udokumentowania działań związanych ze
wszystkim co ma związek z jakością produkcji, a zwłaszcza jej kontrolą, na wszystkich
szczeblach zarządzania przedsiębiorstwem, w tym monitorowania wyników kontroli jakości.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 16
7.2 Pełna i statystyczna kontrola jakości wyrobu
Najdalej posunięte gwarancje wyeliminowania części wadliwych (braków) daje kontrolowanie
kaŜdego wyprodukowanego egzemplarza wyrobu. Jest to proces kosztowny gdyŜ
wykonywanie pomiarów jest czasochłonne, a w wypadku gdy kontrola wymaga
przeprowadzenia prób niszczących wyrób jest to niemoŜliwe. Sposobem na ograniczenie
kosztów kontroli jest wprowadzenie statystycznej kontroli jakości.
Kontrola statystyczna polega na tym, Ŝe z wyprodukowanej partii wyrobów pobiera się
losowo próbę (określoną ilość sztuk) która jest reprezentantem całej partii. Wszystkie
egzemplarze wchodzące w skład próby poddawane są badaniom, których wynik decyduje o
uznaniu, bądź odrzuceniu całej partii. Tryb postępowania jest ściśle określony normami
opartymi o rachunek prawdopodobieństwa. Dlatego statystyczna kontrola jakości nie daje
pełnej gwarancji, Ŝe w badanej partii nie znajdzie się egzemplarz wadliwy, moŜna mówić
jedynie o pewnym poziomie ufności, Ŝe takie zdarzenie nie wystąpi. Przy najostrzejszym trybie
kontroli statystycznej, pobierając próbę liczącą 20% wyprodukowanych wyrobów i
stwierdzając, Ŝe nie występuje w niej ani jedna sztuka wadliwa - prawdopodobieństwo, Ŝe
mimo to, w całej partii wystąpi taka sztuka wynosi 3% (dane orientacyjne) Wartość ta określa
ryzyko jakie ponosi odbiorca towaru, akceptując statystyczną kontrolę jakości dostaw.
Stwierdzenie to ma swoje skutki prawne: ujawnienie po odbiorze, wybrakowanego
egzemplarza nie moŜe być przyczyną roszczeń, chyba Ŝe odbiorca udowodni dostawcy
ś
wiadome zaniedbania w dziedzinie kontroli jakości, np. wykazanie braku właściwie
prowadzonej dokumentacji wyników kontroli.
7.3 Co daje automatyzacja kontroli jakości
- Eliminuje tzw. czynnik ludzki z procesu decyzyjnego. Na decyzję o uznaniu wyrobu za
dobry lub zły nie mają wpływu błędy popełniane przez człowieka ani naciski wywierane
przez otoczenie.
- Podnosi wydajność kontroli tak, Ŝe opłacalne staje się zastąpienie kontroli statystycznej
pełną kontrolą całej produkcji. Nie dotyczy to oczywiście prób niszczących.
- Pozwala w sposób automatyczny monitorować i dokumentować prowadzenie kontroli
jakości kaŜdej partii a nawet kaŜdego wyrobu, tym samym chroniąc prawnie producenta
przed nieuzasadnionymi roszczeniami ze strony odbiorcy.
7.4 Elastyczność zautomatyzowanych stanowisk kontroli
Elastyczność automatów kontrolujących jakość jest bardzo ograniczona, chociaŜ są pozytywne
wyjątki. Przykładem mogą być uniwersalne maszyny pomiarowe pozwalające na kontrolę
wymiarów bardzo zróŜnicowanych asortymentów wyrobów po zmianie jedynie
oprogramowania.
7.5 Podsumowanie
Automatyzacja kontroli jakości jest opłacalna w produkcji wielkoseryjnej i masowej lub tam
gdzie skutki przepuszczenia braku są bardzo powaŜne, szczególnie wtedy gdy naraŜają na
szwank zdrowie i bezpieczeństwo ludzkie. W ostatnim wypadku bywa ona koniecznością, np.
przemysł farmaceutyczny, spoŜywczy itd.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 17
8. TRENDY W BUDOWIE AUTOMATÓW PRODUKCYJNYCH
8.1 Budowa automatu
Typową strukturę zautomatyzowanego urządzenia pokazano na rys.8.1
Rys. 8.1
Przystępując do projektowania lub tylko do zapoznawania się z budową automatu konieczna
jest szczegółowa znajomość procesu technologicznego realizowanego przez urządzenie.
JeŜeli naszym celem jest zaprojektowanie nowego urządzenia to prace powinny zostać
rozpoczęte od dokładnego ustalenia nie tylko kolejności zabiegów technologicznych ale
równieŜ wartości liczbowych wszystkich parametrów procesu. Na tym etapie prac bardzo duŜe
znaczenie ma wykonanie prób technologii, sprawdzających ją w warunkach jak najbardziej
zbliŜonych do przyszłej eksploatacji urządzenia. Przeprowadzenia tych prób moŜna zaniechać
jedynie w przypadku posiadania przez projektanta praktycznych doświadczeń, zebranych
podczas wcześniejszych prac o zbliŜonym charakterze. W Ŝadnym razie nie powinno się
poprzestawać wyłącznie na wirtualnych symulacjach procesu.
Realizację procesu technologicznego zapewniają elementy wykonawcze automatu. Są
to róŜnego rodzaju narzędzia oraz oprzyrządowanie – w szerokim rozumieniu tych słów np.:
matryce, chwytaki, podajniki, palety, transportery itd. Do ich funkcjonowania niezbędne są
napędy (elektryczne, pneumatyczne, hydrauliczne) przetwarzające energię na ruch, przy czym
sterowanie nimi odbywa się za pośrednictwem układów sterujących przepływem energii
(styczniki, zawory, regulatory elektroniczne) Sterowanie całego urządzenia zapewnia
sterownik, który przetwarza dane o przebiegu procesu otrzymane poprzez układy
pozyskiwania informacji (sensory) W procesach, w których sekwencja jest prosta, algorytm
sterowania często moŜna zrealizować wykorzystując moŜliwości realizacji wielu funkcji
logicznych przez układy sterujące przepływem energii, wzbogacone o proste układy
przekaźnikowe. Sterownik staje się wówczas zbędny.
Znajomość schematu struktury ma praktyczne znaczenie, gdyŜ pozwala
usystematyzować postępowanie podczas projektowania a nawet tylko oględzin automatu.
8.2 Elementy wykonawcze
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 18
Bardzo silnym trendem w projektowaniu automatów jest jak najszersze wykorzystywanie
podzespołów handlowych. Na rynku automatyki przemysłowej działa wiele firm oferujących
kompletne podzespoły wykonawcze np.: jednostki przemieszczeń liniowych, obrotowych,
chwytaki, moduły systemów transportu itp. Korzyścią takiego postępowania jest przede
wszystkim skrócenie czasu projektowania, wykonania i wdroŜenia do eksploatacji gotowego
urządzenia, co w przypadku pilnych zamówień ma duŜe znaczenie ekonomiczne.
8.3 Napędy
KaŜdy napęd ma swe zalety i wady oraz wynikający z nich zakres zastosowań.
Napędy pneumatyczne. Jest to tani napęd stosowany przede wszystkim do wykonywania
przemieszczeń liniowych od punktu do punktu na niewielkie i średnie odległości, z duŜą
prędkością. Wadą napędów pneumatycznych są ograniczenia dynamiczne wynikające ze
ś
ciśliwości powietrza i głośna praca a takŜe wymagany dostęp do sieci spręŜonego powietrza.
Napędy elektryczne. Podstawowym zastosowaniem jest napęd ruchów obrotowych w
szerokim zakresie prędkości. Jest to rodzaj napędu najczęściej stosowany w układach regulacji
automatycznej, zwłaszcza serwonapędach. Największą zaletą w stosunku do innych napędów
jest powszechna dostępność czynnika roboczego (sieć elektryczna)
Napędy hydrauliczne. Niezastąpione tam gdzie trzeba uzyskiwać bardzo duŜe siły przy
niewielkich gabarytach urządzeń wykonawczych. Są drogie m.in. ze względu na konieczność
stosowania kosztownych zasilaczy hydraulicznych. Kłopotliwe w serwisowaniu. Napędów
hydraulicznych unika się, poza wymienionym na początku zastosowaniem.
Napędy pneumohydrauliczne. Pozwalają wyeliminować kosztowny zasilacz hydrauliczny,
uzyskując jednocześnie duŜe siły. Zastosowania są ograniczone do przemieszczeń na małe
odległości np.: mocowanie przedmiotów.
8.4 Urządzenia sterujące przepływem energii
Rozwój elektroniki duŜych mocy znalazł zastosowanie w budowie regulatorów napędów
elektrycznych, wśród których szczególnie duŜe zastosowanie znalazły falowniki. Napęd
falownikowy silnika asynchronicznego jest obecnie najczęściej stosowanym sposobem
bezstopniowej regulacji prędkości obrotowej.
Innym trendem obserwowanym w automatyce napędów jest zastępowanie
elektromechanicznych elementów przełączających (styczniki) układami półprzewodnikowymi
duŜej mocy realizującymi taką samą funkcję (włącz-wyłącz)
8.5 Sterowniki
W automatach produkcyjnych stosuje się obecnie programowalne sterowniki logiczne PLC,
które produkowane są przez wiele firm, w wielu odmianach. Najprostsze wersje pozwalają na
zapisanie w nich jedynie algorytmu cyklu pracy automatu. Standardową wersją są obecnie
sterowniki, w których oprogramowanie realizuje następujące funkcje:
- sekwencję cyklu pracy
- komunikację z obsługującym poprzez moduł HMI (Human-Machine Interface)
- diagnostykę stanu automatu
W bardziej złoŜonych systemach produkcyjnych wymagana jest równieŜ komunikacja z resztą
systemu za pośrednictwem typowych interfejsów. Dosyć często sterownik zapamiętuje historię
urządzenia, rejestrując czas i okoliczności wystąpienia awarii.
Bardzo duŜy nacisk kładzie się na to aby komunikacja z obsługującym była „przyjazna dla
uŜytkownika”. Dlatego coraz częściej sterowniki wyposaŜa się w kolorowe ekrany dotykowe, a
oprogramowanie części wizualnej bywa często bardziej skomplikowane niŜ cyklu pracy
maszyny.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 19
8.6 Konstrukcje nośne, podstawy, osłony
Podstawowym materiałem na konstrukcje nośne są profile ze stopów aluminium. Produkowane
są przez wiele firm w odmianach od extra lekkiej do cięŜkich, z czym wiąŜe się wytrzymałość
na zginanie. KaŜda firma oferuje do swoich profili bogaty asortyment złącz, pozwalających
budować z nich róŜne konstrukcje przestrzenne. Przestrzenie pomiędzy profilami moŜna
wypełniać płytami metalowymi, z tworzyw sztucznych lub siatką, tworząc w ten sposób
osłony. Sztywność takich konstrukcji jest zwykle niŜsza niŜ ram spawanych z kształtowników
stalowych, a tym bardziej odlewów, co praktycznie eliminuje wykorzystanie ich do budowy
korpusów obrabiarkowych.
Systemy profili aluminiowych pozwalają zredukować do minimum kosztowną obróbkę
skrawaniem i bardzo skrócić czas wykonania konstrukcji nośnej urządzeń. Rekompensuje to z
nawiązką wysoki koszt samych elementów.
9.
BEZPIECZEŃSTWO OBSŁUGI, CERTYFIKACJA MASZYN
Automatyzacja procesu podnosi bezpieczeństwo obsługi eliminując niezbędną obecność
człowieka w strefie pracy narzędzi. Ponadto zautomatyzowane urządzenia technologiczne
powinny posiadać zabezpieczenia przed nieświadomą lub niepowołaną ingerencją człowieka w
strefy zagroŜenia. Są to blokady mechaniczne (osłony) elektryczne i elektroniczne.
Zagadnienia te mają swoje prawne regulacje w postaci Dyrektywy Maszynowej Unii
Europejskiej.
9.1 Obudowy i osłony ochronne
Powinny spełniać następujące wymagania:
- być solidnej budowy,
- być trudne do ominięcia lub demontaŜu,
- powodować moŜliwie najmniejsze ograniczenia w widoczności procesu technologicznego,
- umoŜliwiać przeprowadzanie podstawowych czynności w zakresie instalowania i/lub
wymiany narzędzi oraz konserwacji.
Osłony przytwierdzone na stałe muszą być mocowane przy pomocy systemów otwieranych
jedynie przy pomocy narzędzi.
Osłony ruchome muszą być sprzęŜone z podzespołem blokującym, uniemoŜliwiającym
uruchomienie maszyny dopóki są one otwarte, oraz podającym polecenie zatrzymania po ich
otwarciu.
Osłony regulowane ograniczające dostęp jedynie do tych obszarów, które są konieczne do
wykonywania pracy, muszą być regulowane ręcznie bez uŜycia narzędzi lub automatycznie
zgodnie z potrzebami wykonywanej pracy.
9.2 Zabezpieczenia elektryczne i elektroniczne
Wyłącznik bezpieczeństwa unieruchamia maszynę lub doprowadza do stanu nie
powodującego zagroŜenia w taki sposób, Ŝe jej ponowne uruchomienie musi być świadomą
decyzją obsługującego.
- jest czerwony i wystający (grzybek)
- na Ŝółtym tle
- umieszczony w dobrze widocznym miejscu
- łatwo dostępny
Ponowne uruchomienie maszyny powinno nastąpić po usunięciu przyczyny i naciśnięciu
przycisku reset.
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Strona 20
Podobne działanie powinny mieć wyłączniki awaryjne, kurtyny świetlne i inne sensory
kontrolujące dostęp do stref zagroŜenia.
Wszelkie niebezpieczeństwa na które moŜe być naraŜony uŜytkownik, naleŜy sygnalizować
poprzez umieszczenie ostrzeŜeń na urządzeniu i w instrukcji obsługi
Problem konfliktu ergonomicznego
Stosowanie osłon ochronnych i innych zabezpieczeń często utrudnia obsługiwanie
urządzenia. Nie naleŜy więc przesadzać w ilości zabezpieczeń i stosować je w sposób
racjonalny, wynikający z kalkulacji ryzyka.
Nadmiar zabezpieczeń moŜe prowadzić do konstrukcji absolutnie bezpiecznej, tzn.
takiej której w praktyce nie da się w ogóle uŜywać.
9.3 Certyfikacja, znak „CE”
Maszyny powinny posiadać certyfikat zgodności z Dyrektywą UE, w postaci znaku „CE”
oznaczającego Ŝe:
Producent winien skompletować dokumentację techniczną i przechowywać ją przez 10
lat. Dokumentacja winna obejmować dokumentację konstrukcyjną, technologiczną oraz
instrukcję obsługi i umoŜliwiać ocenę zgodności cech wyrobu z obligatoryjnymi wymogami
dyrektywy maszynowej UE.
Ten tryb moŜe być dodatkowo uzupełniony wykonaniem testów lub dokonywaniem
okresowych kontroli produktu przez specjalistyczną jednostkę certyfikującą. Producent
przedstawia jednostce certyfikującej wzór wyrobu wraz z dokumentacją techniczną. Jednostka
certyfikująca sprawdza zgodność dokumentacji i wzoru z wymaganiami dyrektywy i w
przypadku pozytywnego wyniku wydaje certyfikat zgodności.
Produkt musi zostać opatrzony nazwą producenta , a takŜe numerem identyfikacyjnym
jednostki certyfikującej, jeŜeli była ona zaangaŜowana w procedurę potwierdzania zgodności.
Finałem tych procedur jest znak "CE", umieszczany na opakowaniu lub dokumentacji
towarzyszącej wyrobowi przez producenta, Znaku "CE" nie naleŜy traktować jako symbolu
jakości ani rękojmi bezpieczeństwa towaru. Jest on jedynie potwierdzeniem, iŜ producent
deklaruje zgodność wyrobu z zasadniczymi wymaganiami bezpieczeństwa