AUTOMATYZACJA I ROBOTYZACJA
PROCESÓW PRODUKCYJNYCH
Praca zaliczeniowa:
Mechanizacja, automatyzacja i robotyzacja procesów produkcyjnych
Pojęcie procesu produkcyjnego.
Procesem produkcyjnym nazywamy sumę wszystkich działań wykonywanych w celu wytworzenia w danym zakładzie gotowego wyrobu z materiałów, półfabrykatów, części lub zespołów. Proces produkcyjny obejmuje proces technologiczny oraz działania pomocnicze, takie jak:
transport,
magazynowanie,
transport międzyoperacyjny,
kontrolę,
konserwację.
Proces produkcyjny to całokształt zjawisk i celowo podejmowanych działań, które sprawiają, że w przedmiocie pracy poddanym ich oddziaływaniu stopniowo zachodzą pożądane zmiany. Kumulując się, powodują one sukcesywne nabieranie przez przedmiot cech przybliżających go i upodabniających do zamierzonego wyrobu. Koniec procesu produkcyjnego występuję, kiedy wszystkie konieczne elementy zostały osiągnięte.
Proces produkcyjny składa się z działań, które prowadzą do wytworzenia materiałów, półfabrykatów, części maszyn i ich zespołów a w rezultacie gotowych produktów. Podstawową częścią procesu produkcyjnego jest proces technologiczny. Jego celem jest uzyskanie pożądanych kształtów, wymiarów i właściwości przedmiotów pracy albo dokonanie wzajemnych połączeń elementów maszyn lub zespołów w wyrobie.
Zadania procesów zarządzania w sferze produkcji:
Określenie wyrobu i zapewnienie mu rynku zbytu;
Wdrażanie do produkcji nowoczesnych technik, nowych typów wyrobów i nowej technologii;
Usprawnianie przygotowania technicznego produkcji;
Usprawnianie pracy organizacji służb i procesów pomocniczych;
Usprawnianie przebiegów procesów produkcyjnych według faz technologicznych i poszczególnych wyrobów;
Wdrażanie postępowych form organizacji struktury produkcyjnej (lokalizacja i rozmieszczenie komórek produkcyjnych);
Optymalizacja wyboru wielkości serii i partii wyrobu;
Zapewnienie odpowiedniej jakości wytwarzanych produktów;
Organizowanie rytmicznej pracy i produkcji;
Skracanie cyklu produkcyjnego;
Poszukiwanie źródeł obniżki kosztów własnych produkcji.
Podstawowe pojęcia
Mechanizm to układ elementów (ciał), który przeznaczony jest do przekształcenia ruchu jednego ciała oraz sił przyłożonych do niego w oczekiwany ruch innych ciał oraz sił ich oddziaływań.
Mechanizacja to zastępowanie pracy fizycznej wykonywanej do tej pory przez człowieka, przez maszyny lub urządzenia.
Automatyzacja to znaczne ograniczenie lub zastąpienie ludzkiej pracy fizycznej i umysłowej przez pracę maszyn działających na zasadzie samoregulacji i wykonujących określone czynności bez udziału człowieka. Również zastosowanie maszyn do pracy niemożliwej do wykonania w inny sposób.
Automatyzacja jest technologią czyli działalnością natury technicznej, ekonomicznej i organizacyjnej, mającą na celu wprowadzenie praw, metod i urządzeń samoczynnych, zastępujących lub ograniczających pracę ludzką, w rozmaite dziedziny życia.
Automatyzacja to połączenie czterech podstawowych elementów:
platformy wykonawczej do której zaliczyć należy maszyny , urządzenia, narzędzia, przyrządy, systemy;
procesu, na który składają się ruchy, operacje i realizowane funkcje;
automatyczności w działaniu wyrażonej w niezależnej strukturze organizacyjnej, procesie sterowania, automatycznej kontroli, sztucznej inteligencji oraz możliwości współpracy z innymi systemami;
źródeł energii.
Automat to maszyna która wykonuje sekwencje czynności bez udziału człowieka.
Manipulator to maszyna manipulacyjna czyli urządzenie do chwytania i kierowania przedmiotów. Zwykle stanowi część robota.
Robot jest maszyną lokomocyjno-manipulacyjną, która służy do realizacji lub wspomagania czynności energetyczno-ruchowych, sensualnych oraz intelektualnych człowieka.
Robotyzacja polega na wprowadzeniu do procesu wytwórczego robotów, manipulatorów i urządzeń pomocniczych, które realizują operacje z ograniczonym udziałem człowieka lub bez jego udziału.
Konieczność automatyzacji i robotyzacji procesów.
O konieczności automatyzacji procesów produkcyjnych może decydować wiele czynników i procesów takich jak:
Ograniczone możliwości wykonawcze i percepcyjne człowieka bo człowiek nie jest w stanie wykonać wielu procesów ze względu na ich skalę pn. proces przebiega zbyt szybko lub siły są zbyt małe;
Wydajność procesu. Urządzenia przemysłowe powinny pracować z taką wydajnością ,która nie jest możliwa bez automatyzacji i robotyzacji;
Bezpieczeństwo. Układy automatyki mogą pracować w środowiskach niebezpiecznych dla człowieka np. promieniowanie radioaktywne, wysoka temperatura itp.;
Względy ekonomiczne;
Przyjazny dla użytkownika także dla ludzi niepełnosprawnych.
We współczesnym świecie, oprogramowanie przestało być gadżetem wytwarzanym wyłącznie dla entuzjastów technik komputerowych, stanowi narzędzie codziennego użytku: zarówno w pracy, jak i w domu i dlatego musi być „intuicyjnie dopasowane do miejsca”, w którym będzie wykorzystywane. Stąd, w proces tworzenia modelu biznesowego powinien być wciągany każdy pracownik organizacji, dla której tworzone jest oprogramowanie: od członków zarządu i marketingu po szeregowych pracowników włącznie. Takie podejście jest uważane obecnie za bardziej efektywne w procesie specyfikowania wymagań na oprogramowanie, niż korzystanie z porad ekspertów dziedzinowych. Eksperci dziedzinowi mają wiedzę, ale brak im władzy niezbędnej do wprowadzania zmian w organizacji, zmian będących efektem automatyzowania jej działalności.
Kiedy przeprowadzać modelowanie biznesowe?
Nie każde przedsięwzięcie, związane z wytwarzaniem oprogramowania, wymaga przeprowadzania modelowania biznesowego. Wydaje się, że warto przeprowadzać modelowanie biznesowe w sytuacji, gdy za pośrednictwem systemu ma być obsługiwana duża ilość informacji, czy też gdy przewiduje się, że będzie istniało spore grono bezpośrednich użytkowników danego systemu. Na przykład rozszerzenie istniejącego systemu o kilka dodatkowych cech z reguły nie wymaga budowy modelu biznesowego, ponieważ zasadnicze cele systemu nie ulegają radykalnej zmianie. Sytuacja wygląda inaczej, gdy trzeba zbudować system nie na półkę, ale na zamówienie konkretnego klienta, wspierający pracę organizacji, w której procesy biznesowe są złożone. W takiej sytuacji, właściwa realizacja projektu wymaga pełnej świadomości skutków automatyzacji prac: innymi słowy trzeba dobrze zrozumieć, jak automatyzacja wpłynie na zmianę reguł prowadzenia biznesu. Jeśli organizacja decyduje się na rozpoczęcie zupełnie nowej linii biznesu, dla której wsparcie ma stanowić budowany system - modelowanie biznesowe jest konieczne. Model biznesowy ma nie tylko wspomóc specyfikowanie wymagań na system, ale też ma pozwolić na oszacowanie wykonalności nowego przedsięwzięcia. Podobnie, jeśli organizacja decyduje się na przebudowę (reinżynierię) procesów biznesowych, modelowanie biznesowe jest konieczne. Czasami modelowanie biznesowe jest przeprowadzane w oddzielnym projekcie i jego wyniki są wykorzystywane do budowy wielu aplikacji. Potrzeba modelowania biznesowego jest też wyraźnie widoczna dla organizacji związanych z tworzeniem oprogramowania wspomagającego automatyzację procesów biznesowych, w tzw. e-biznesie, gdzie modelowanie biznesowe zajmuje centralne miejsce w procesach realizacji projektów. Możemy wyróżnić kilka rodzajów e-biznesowych aplikacji, jak np.: wspomagające współpracę klienta z firmą (np. zakupy przez Internet), automatyzacja współpracy między firmami (np. automatyzacja łańcucha dostaw), dostarczanie informacji do klienta (np. rozsyłanie biuletynów informacyjnych) i automatyzacja wymiany informacji między klientami, z niewielkim wsparciem ze strony providera (np. aukcje internetowe).
Ocena stopnia automatyzacji procesu produkcyjnego.
Stopień automatyzacji procesów w poszczególnych gałęziach gospodarki jest zróżnicowany. Zależy od:
charakteru procesu;
szybkości procesu;
etapów realizacji procesu;
charakteru poszczególnych operacji;
dostępu do odpowiednich maszyn i urządzeń;
źródeł energii;
stopnia jego zorganizowania i zmechanizowania;
miejsca, w którym proces przebiega.
Wszystkie ww. czynniki są natury organizacyjno-technologicznej.
Stopień automatyzacji jest częściowo określany jako stosunek liczby zautomatyzowanych operacji realizowanych przez urządzenia do ogólnej liczby operacji, które są niezbędne do wykonania danego procesu. Chęć uzyskania konkretnych wartości liczbowych stopnia automatyzacji zmusza jednak do ścisłej analizy wielu czynników istotnych dla procesu oraz do przyjęcia konkretnej metody obliczeniowej.
Zazwyczaj stosuje się dwa sposoby ustalenia stopnia automatyzacji:
Wartość stopnia automatyzacji jest wyznaczana na podstawie przyjętej skali odniesienia określającej poszczególne etapy automatyzacji danego procesu;
Stopień automatyzacji to proporcja między wielkościami charakteryzującymi właściwości procesu, które są osiągnięte automatycznie i nieautomatycznie. Można rozważać m.in. następujące wielkości charakteryzujące proces: liczba operacji, czas trwania cyklu, liczba pomieszczeń i ruchów.
Do oceny możliwości zautomatyzowania procesu stosuje się - szczególnie przy pracach remontowych - pojęcie podatności procesu na automatyzację. Podatność jest to łatwość, zdatność do automatyzacji. Można ją oceniać według pewnych kryteriów m.in. wielkości serii, możliwości rezygnacji z udziału w procesie człowieka, ciężaru przedmiotu, odporności na zakłócenia.
Podatność gospodarcza danej gałęzi jest tym większa, im większy jest potencjał gospodarczy, czyli możliwości finansowe, oraz im mniejsza efektywność procesu.
Historyczne etapy rozwoju automatyzacji i robotyzacji.
Historia automatyki może być podzielona na następujące okresy:
wczesny okres - do 1900 roku;
okres przedklasyczny - lata od 1900 do 1940;
okres klasyczny - lata od1935 do 1960;
okres nowoczesny - po 60 roku.
Urządzenia zawierające mechanizmy sterujące zdarzało się ludziom konstruować nawet w bardzo odległych czasach. Potrzeba konstruowania takich rozwiązań nasiliła się ogromnie wraz z nadejściem rewolucji przemysłowej i dalszym rozwojem techniki na początku XX wieku. Początkowo były to projekty wykonywane głównie w oparciu o doświadczenie i intuicję inżynierską z czasem jednak decydującego znaczenia nabrały analizy teoretyczne, które, choć zapoczątkowano już w XIX wieku, były wcześniej szerzej nieznane. Z czasem wypracowano szereg klasycznych metod projektowania układów regulacji, które od około 1960 roku były uzupełniane i częściowo wypierane przez nowoczesną teorię sterowania. Nieocenioną podporą matematycznej teorii stała się rozwijająca się równolegle technika komputerowa, na początku analogowa, a następnie cyfrowa
Automatyczne systemy sterowania były znane już 2 tysiące lat temu. Do najstarszych znanych urządzenia ze sterowaniem, które wykorzystywały sprzężenie zwrotne należy starożytny zegar wodny Ktesibiosa w Aleksandrii z III wieku p.n.e. Zegar odliczał czas poprzez regulację poziomu wody w zbiorniku i przez to odpływ wody z tego zbiornika. Było to z pewnością urządzenie stosowane z powodzeniem – podobnie zaprojektowane zegary wytwarzano nadal w Bagdadzie gdy Mongołowie zdobyli to miasto w 1258 roku. Innym znanym rozwiązaniem starożytnym jest lampa Pilona
Przez wieki używano różnorodnych urządzeń automatycznych by wykonywać różne użyteczne zadania. Niektóre z nich służyły także do rozrywki (przykładem mogą tu być automaty, popularne w XVII i XVIII wieku, z tańczącymi figurkami, które powtarzały te w kółko te same czynności, pracowały one więc w otwartej pętli sterowania).
Nadejście rewolucji przemysłowej w Europie poprzedziło wprowadzenie tzw. źródeł energii pierwotnej, maszyn samodzielnie się napędzających – np. silników, które przemieniają paliwo w użyteczną pracę. Pojawiły się młyny zbożowe, piece przemysłowe, kotły parowe i silniki parowe. Urządzeń tych nie można było odpowiednio regulować tylko z wykorzystaniem regulacji ręcznej. W tych okolicznościach powstawał nowy wymóg związany z koniecznością zastosowania automatycznego systemu sterowania. Wynaleziono wówczas szereg urządzeń takich jak regulatory pływakowe, regulatory temperatury, regulatory ciśnienia czy urządzenia sterujące prędkością.
Z punktu widzenia teorii sterowania na początku XX w. miały miejsce dwa istotne wydarzenia: wojny światowe oraz rozwój telefonii i masowej komunikacji.
Okres gdy komunikacja masowa i szybsze sposoby podróżowania zaczęły czynić świat coraz mniejszym, był jednocześnie czasem napięć społecznych, podczas których ludzie usiłowali określić swoje miejsce w społeczności globalnej. Konsekwencją tego były wojny światowe, w czasie to których rozwój systemów sterowania opartych na sprzężeniu zwrotnym stał się kwestią przetrwania
Rewolucja komputerowa rozpoczęła się w latach 40-tych XX wieku wraz z powstaniem komputera lampowego, tranzystora, języka asembler ,reaktora atomowego, zegara atomowego. Wprowadzenie technologii cyfrowych w latach 50-tych doprowadziło do ogromnych zmian w sterowaniu automatycznym. Zaczęto masowo produkować komputery ,zbudowano system operacyjny komputera, pojawił się język programowania-fortran, zastosowano twardy dysk oraz dyskietki, światłowody, układy scalone, rozpoczęto komputeryzację bankowości, wystrzelono satelity komunikacyjne. W medycynie zaczęto używać ultrasonografów i rozruszniki serca.
Lata 60-te to pojawienie się laserów, dysku optycznego, mikroprocesora, pamięci RAM, CAM, CAD
Lata 70-te to sterowniki PLC w przemyśle. Do użytku wchodzą: edytor tekstu, e-mail, arkusz kalkulacyjny, systemy zarządzania bazą danych, drukarka laserowa, telefon komórkowy,
Lata 80-te rozszyfrowano kod DNA, wyprodukowano płytę kompaktową, zbudowano elektronowy mikroskop skaningowy.
XXI wiek przyniósł następujące osiągnięcia techniki: sztuczną wątrobę, podawanie leków za pomocą ultradźwięków, komputer kieszonkowy, pamięć USB, samoczyszczące się szyby, lądowanie na Marsie.
Wszystkie osiągnięcia automatyki zmieniają świat i sprawiają, że dotąd rzeczy niemożliwe stają się możliwe i w zasięgu ręki.
Kryteria oceny podatności procesu produkcyjnego na automatyzację.
Automatyzacja częściowa polega na wprowadzeniu do procesu produkcji budowlanej maszyn – automatów, wykonujących poszczególne, zazwyczaj główne operacje technologiczne, pozostałe operacje mogą być wykonywane przez maszyny sterowane przez człowieka lub ręcznie. Przez maszyny - automaty rozumie się maszyny o sterowaniu automatycznym. Ten etap mechanizacji spotyka się w niektórych oddziałach produkcji pomocniczej (np. produkcji mieszanki betonowej) w wytwórniach prefabrykatów oraz w zakładach produkcyjnych zaplecza technicznego budowy.
Automatyzacja kompleksowa polega na zautomatyzowaniu złożonych procesów produkcyjnych, co osiągnięte może być przez wprowadzenie maszyn - automatów i zharmonizowanie ich, co do miejsca, wydajności i czasu. Przy stosowaniu automatyzacji kompleksowej roboty ręczne powinny być ograniczone do drobnych prac pomocniczych, a w miarę możliwości wyeliminowane całkowicie.
Wzrost wydajności produkcji spowodowany w początkowym okresie zastosowaniem maszyn budowlanych, później osiągany jest dzięki użyciu maszyn o coraz to większej wydajności. Są to zmiany ilościowe. Dalsze zwiększenie wydajności możliwe jest tylko przez wprowadzenie zmian jakościowych, tj. wyższych metod organizacji produkcji (lepsze wykorzystanie maszyn w procesie produkcji)
Kolejność postępowania automatyzacji w procesie produkcyjnym
1)Określenie procesu produkcyjnego, który ma być zmechanizowany oraz ustalenie danych co do jego wielkości.
2)Ustalenie warunków, jakie mają być spełnione, aby projektowany proces mógł być rozpoczęty.
3)Podział procesów produkcyjnych na ciąg operacji wymagających odrębnego rozwiązania (operacje będą wykonywane odrębnymi maszynami).
4)Określenie parametrów operacji technologicznych.
5)Określenie rodzaju maszyn niezbędnych do wykonania operacji.
6)Ustalenie konkretnych typów maszyn osiągalnych w danym przedsiębiorstwie spełniających wymagania do wykonania poszczególnych operacji.
7)Dobór zestawów według odpowiednich parametrów technologicznych.
8)Dokonanie wyboru zestawu optymalnego na podstawie przyjętego kryterium.
9)Maksymalna niezawodność działania zestawów.
10)Minimalna energochłonność.
11)Minimalna kapitałochłonność.
Wybór wariantu najlepszego zgodnego z założonym kryterium (czas, koszt, niezawodność, czyli optymalizacja jest związany przeważnie z rachunkiem ekonomicznym. W pewnych przypadkach, np. w przypadku klęski żywiołowej lub katastrofy nie kierujemy się rachunkiem ekonomicznym. Wybieramy optymalny zestaw maszyn, przyjmując jako kryterium - minimalny czas realizacji oraz maksymalną niezawodność.
System mechatroniczny.
System mechatroniczny jest strukturą realizującą zadania mechatroniczne, składa się z czterech podsystemów:
sensorycznego – zbierającego dane o działaniu systemu;
sterującego – elektronicznego układu przetwarzającego dane docierające z systemu sensorycznego i wytwarzającego dane dla systemu wykonawczego realizując zadanie sterowania;
wykonawczego – zmieniającego nastawy elementów wykonawczych;
łączącego – przesyłającego dane między wyżej wymienionymi podsystemami.
Wszystkie podsystemy muszą ze sobą ściśle współdziałać. Nowoczesne maszyny i urządzenia możemy traktować jako systemy mechatroniczne. Dobrym przykładem systemu mechatronicznego jest nowoczesny samochód osobowy.
Istota mechatroniki polega na dodawaniu (w coraz większym stopniu) rozwiązań elektronicznych do mechanizmów w celu uzyskania możliwie najlepszych efektów.
Słowo mechatronika pojawiło się po raz pierwszy w roku 1969 w Japonii. Do wczesnych lat 80. XX wieku termin mechatronika oznaczał mniej więcej tyle co zelektryfikowany mechanizm. W połowie lat 80. XX wieku w Europie przez mechatronikę zaczęto rozumieć nową dziedzinę, która zapełniła lukę, jaka istniała wówczas między inżynierią mechaniczną a elektroniką. W Stanach Zjednoczonych jednak niechętnie odnoszono się do samego terminu mechatronika preferując zamiast niego określenie inżynieria systemów. W kolejnych latach definiowano mechatronikę na różne sposoby.
Mechatronika jest synergiczną kombinacją mechaniki precyzyjnej, elektronicznego sterowania i systemowego myślenia przy projektowaniu produktów i procesów produkcyjnych
Mechatronikę można dziś określić jako dziedzinę inżynierii, która stanowi połączenie inżynierii mechanicznej, elektrycznej, komputerowej, automatyki i robotyki, służącą projektowaniu i wytwarzaniu nowoczesnych urządzeń.
Produkty mechatroniki powinny cechować się wielofunkcyjnością, elastycznością i możliwością łatwego konfigurowania, a także adaptacyjnością i prostotą obsługi.
Przedmiotem zastosowań mechatroniki jest między innymi wytwarzanie:
układów sterowania pojazdami;
nowoczesnych zabawek;
zaawansowanych urządzeń powszechnego użytku oraz elektroniki użytkowej;
urządzeń automatyki i robotyki, w tym robotów przemysłowych;
obrabiarek sterowanych numerycznie;
aparatury medycznej;
narzędzi do pomiarów w zakresie nanotechnologii.
Bibliografia
J. Honczarenko „Elastyczna automatyzacja wytwarzania”, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000;
www.wikipedia.pl z dnia 27.02.2014 r.;
www.piap.pl z dnia 27.02.2014 r.