H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
1. AUTOMATYZACJA PRODUKCJI. ELASTYCZNOŚĆ SYTEMÓW
PRODUKCYJNYCH
Rozwój elektroniki, a zwłaszcza techniki komputerowej sprawił, \
e przestały
praktycznie istnieć techniczne ograniczenia w dziedzinie automatyzacji produkcji. Mo\
na
uwa\
ać, \
e przy pomocy współczesnej techniki, ka\
dy proces produkcyjny mo\
na całkowicie
zautomatyzować, osiągając w ten sposób du\
ą wydajność i wysoką jakość produkcji. Jedynym
ograniczeniem są koszty zakupu i wdro\
enia nowych technologii oraz ich eksploatacji, a więc
czynniki ekonomiczne.
Nakłady na zautomatyzowanie produkcji zale\
ą od stopnia automatyzacji procesu
wytwarzania. Są bardzo wysokie w przypadku pełnej automatyzacji procesu (obróbka,
kontrola, transport, składowanie, monta\
) i du\
o mniejsze gdy automatyzuje się tylko niektóre,
wybrane operacje technologiczne. O wyborze stopnia automatyzacji procesu decyduje
kryterium opłacalności: poniesione nakłady muszą się zwrócić w mo\
liwie krótkim czasie w
wyniku sprzeda\
y wyprodukowanych wyrobów. Decyzje związane z wyborem stopnia
automatyzacji mają więc charakter strategiczny i związane są z pewnym ryzykiem, gdy\
:
- brak lub zbyt niski poziom automatyzacji oznacza zwykle ni\
szą jakość i wysokie
koszty produkcji, co nie pozwala na sprzeda\
po konkurencyjnych cenach.
- rynek mo\
e się okazać zbyt mały aby wchłonąć taką ilość produkcji, która
zamortyzowałaby poniesione nakłady na zbyt daleko posuniętą automatyzację.
- wyrób mo\
e 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 nale\
y 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 dro\
szych metod kształtowania części, dzięki czemu nakłady poniesione na
zwiększenie wydajności obróbki szybko się zwracają.
Ju\
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 niemo\
liwe, a w najlepszym
razie bardzo kosztowne i wymagające zatrzymania produkcji na dłu\
szy czas, poniewa\

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 mo\
liwa 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 uwa\
a się
Elastyczne Systemy Produkcyjne (ESP, ang. FMS  Flexible Manufacturing System). Są to
systemy przeznaczone do obróbki bardzo zró\
nicowanego asortymentu części na centrach
Strona 1
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
obróbkowych, współpracujących z automatycznymi systemami transportu i składowania
części. Dzięki całkowitej automatyzacji procesu, taki system mo\
e pracować bezobsługowo
(tzn. wymaga jedynie nadzoru) na II i III zmianie a tak\
e w dni ustawowo wolne od pracy..
Największy rozwój tych systemów przypada na lata osiemdziesiąte. Liczbę tych systemów na
świecie 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, gdy\
ich eksploatacja okazała
się droga, a bezobsługowość problematyczna.
Mimo olbrzymiego rozwoju zautomatyzowanych form produkcji nadal du\
e 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 zró\
nicowane części i zmiana asortymentu nie
wymaga prawie \
adnych inwestycji. Jednak brak automatyzacji sprawia, \
e 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 niemo\
liwe. Natomiast w produkcji jednostkowej jest to ciągle
forma dominująca i nie nale\
y się spodziewać aby nawet w dalszej przyszłości całkowicie
zanikła. Wręcz odwrotnie, zwiększony popyt na takie usługi jak naprawy, adaptacje,
wykonywanie prototypów itp. sprawiają, \
e 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 ró\
nych form produkcji
Strona 2
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Rysunku nie nale\
y traktować zbyt dosłownie, bowiem granice zaznaczonych obszarów są
niemo\
liwe do sprecyzowania. Nie są to wszystkie mo\
liwości. 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 wy\
szych kwalifikacjach, a więc wy\
ej uposa\
onych. 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. Równie\
obsługa maszyn w coraz
większym stopniu przypomina obsługę komputera, ni\
tradycyjną pracę frezera lub tokarza.
Problemy stwarza tak\
e ogromne bogactwo środków technicznych jakie mo\
na zastosować
przy rozwiązywaniu ró\
nych 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 tak\
e działań opartych o zawodową
intuicję.
2. AUTOMATYZACJA W PROCESIE TECHNICZNEGO PRZYGOTOWANIA
PRODUKCJI
Elastyczność przedsiębiorstwa oznacza mo\
liwość 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 równie\
ze względów formalnych (certyfikaty jakości)
2.1 Przygotowanie produkcji nowego wyrobu
Rys. 2.1 Przepływ informacji w procesie technicznego przygotowania produkcji
Strona 3
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Dla procesu technicznego przygotowania produkcji nowego wyrobu wa\
ne jest, aby zało\
enia
marketingowe zawierały: wymagane parametry techniczne wyrobu, cechy u\
ytkowe i estetykę
(image) wyrobu i przewidywaną wielkość sprzeda\
y.
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 ka\
dej części,
monta\
u i kontroli. Przygotowując produkcję seryjną opis ten powinien być bardzo
szczegółowy i zawierać m.in.: Podział procesu technologicznego ka\
dej części na operacje,
określenie pracochłonności dla ka\
dej operacji, instrukcje dla pracownika wykonującego ka\
dą
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 du\
o
wy\
sze.
Strona 4
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
2.2 Prototyp i seria informacyjna
Rys. 2.2 Procedura wdra\
ania wyrobu do produkcji seryjnej
Strona 5
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
2.3 Systemy komputerowego wspomagania prac in\
ynierskich (CAE)
Szybka realizacja tych zadań jest mo\
liwa dzięki zautomatyzowaniu wielu prac in\
ynierskich
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, \
e podstawową formą ka\
dego
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 ró\
ne 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 ka\
dej
części, generowany przez system CAD, który umo\
liwia niemal bezpośrednie przetworzenie
go w systemie CAM na program sterujący obrabiarką CNC. Zapis trójwymiarowy ułatwia
tak\
e 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 umo\
liwiającą półautomatyczne uzyskanie programów sterujących obrabiarkami
Strona 6
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
CNC. Grafika rastrowa (JPG, bmp, pdf ...) stosowana jest tam gdzie dokumenty u\
ywane 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 prze\
ywa okres bardzo szybkiego rozwoju. Producenci
software u oferują co roku nowe wersje o zwiększonych mo\
liwościach. Systemy CAD/CAM
pozwalają na zaprojektowanie części i jej przetworzenie do postaci programu na konkretną
obrabiarkę CNC bez opuszczania systemu. Równie\
układy sterowania CNC zawierają coraz
więcej funkcji systemów CAD i CAM, dzięki czemu zaprojektowanie i wykonanie prostych
przedmiotów mo\
na zrobić z pulpitu obrabiarki bez konieczności u\
ywania 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 du\
a dokładność, sztywność, trwałość, niezawodność.
Strona 7
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Spośród znanych metod kształtowania części, obróbka skrawaniem wyró\
nia 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 ró\
nych systemach produkcyjnych
Efektywność obróbki skrawaniem, której wskaz
nikiem 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, \
e jest to ok. 3% (rys.3.1).
Rys. 3.1 Wykorzystanie funduszu czasu pracy w zale\
ności 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 wskaz
nik ten mo\
na podnieść do ok. 8%. W Elastycznych
Strona 8
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Systemach Produkcyjnych, dzięki ich bezobsługowej pracy, mo\
na wykorzystać dni ustawowo
wolne od pracy oraz 2 i 3 zmianę, dzięki czemu ten wskaz
nik wynosi ok.30% (10 razy więcej
!) Automatyzacja pozwala skoncentrować w jednej operacji technologicznej du\
ą 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  po\
ywką dla wdra\
ania wielu osiągnięć nauki i techniki takich jak:
napędy elektryczne, hydrauliczne, pneumatyczne, serwonapędy, układy pomiarowe,
sterowanie numeryczne itp. Większość tych rozwiązań znalazła póz
niej zastosowanie w innych
technikach wytwarzania: robotach przemysłowych, cięciu plazmowym i laserowym,
numerycznym wykrawaniu blach itp.
Przytoczone wy\
ej argumenty przemawiałyby jednoznacznie za trzecią, najdalej
posuniętą automatyzacją procesu obróbki. Pamiętajmy jednak, \
e na opłacalność automatyzacji
wpływają równie\
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 tak\
e wysokie koszty
eksploatacji maszyn, opłacalność systemów bezobsługowych takich jak ASO i ESP mo\
e
okazać się du\
o mniejsza a nawet problematyczna. Spadek zainteresowania przemysłu tymi
rozwiązaniami pozwala sądzić, \
e takie są wnioski z dotychczasowej eksploatacji istniejących
systemów. Okazało się, \
e podobne efekty ekonomiczne mo\
na uzyskać na drodze kooperacji
z małymi firmami dysponującymi obrabiarkami CNC, co nie wymaga tak du\
ych i
ryzykownych inwestycji.
4. CI
CIE, WYCINANIE i ZAGINANIE
Części wycinane z blach i innych materiałów zawsze miały znaczący udział w konstrukcji
wyrobów produkowanych masowo a tak\
e 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 u\
ycia 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 mo\
emy 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 du\
ą 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
Strona 9
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
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 najwy\
szej jakości maszyną do cięcia o
du\
ej 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 równie\
wykonywać znakowanie i opisywanie
wycinanych elementów.
Cięcie laserowe mo\
na podzielić na następujące metody:
Cięcie przez odparowanie, które polega na tym, \
e 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, \
e 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 naprę\
enia 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 cię\
arze 1300 kg.
4.3 Cięcie wodą
Cięcie metalu wodą jest jedną z dro\
szych metod. Skrawany materiał nie jest poddawany
mechanicznym przecią\
eniom 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 mo\
emy 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
Strona 10
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
strumieniem wody pozwala na obróbkę materiałów o ró\
nej grubości  maksymalna grubość
uzale\
niona jest od wielu czynników, niemniej np. stal nierdzewną mo\
na ciąć do grubości 100
mm  150 mm.
Z uwagi na koszt eksploatacji, technologia cięcia wodą jest droga, nawet dla zakładów
świadczących usługi z tego zakresu.
Ponadto nale\
y zwrócić uwagę na fakt, i\
:
- jest jedną z wolniejszych metod cięcia (mo\
na przyjąć prędkości cięcia od 1mm/min dla
materiałów ciętych o grubości powy\
ej 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
- mo\
liwość 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 mo\
na obrabiać za pomocą technologii cięcia wodą, to: stale węglowe,
nierdzewne, kwasoodporne, narzędziowe; metale kolorowe: aluminium, miedz
, 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 odró\
nieniu od obróbki laserowej  nie ulegają
odbarwieniom, utwardzeniu termicznemu oraz nie zachodzą w nich przemiany strukturalne
będące skutkiem oddziaływania cieplnego. Za pomocą tego rodzaju obróbki, mo\
na
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 ró\
nych materiałów (równie\
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 mo\
na wykonać pod warstwą wody, co powoduje znaczne obni\
enie 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 du\
ej energii elektrycznej, przemieszczającym się z dyszy plazmowej zawę\
ającej go w
kierunku szczeliny cięcia z prędkością bliską prędkości dz
więku. Temperatura strumienia
plazmy zale\
na jest od natę\
enia prądu, stopnia zwę\
enia łuku oraz rodzaju i składu gazu
plazmowego, i mieści się w granicach 10 000  30 000 K. Mo\
liwe jest cięcie wszystkich
materiałów konstrukcyjnych przewodzących prąd elektryczny. Proces cięcia plazmowego
stosowany jest do cięcia ręcznego i zautomatyzowanego stali i metali nie\
elaznych, z du\
ymi
Strona 11
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
prędkościami. Dzięki wysokiej temperaturze łuku plazmowego cięcie rozpoczyna się
natychmiast, bez podgrzewania. Prędkość cięcia zale\
y od grubości ciętego materiału.
Szczególnie ró\
nice widać w zakresie grubości materiału od 5 do 25 mm.
4.5 Podsumowanie
Jak wynika z powy\
szych opisów, wybór właściwej technologii cięcia zale\
y od bardzo wielu
czynników. Podczas prac projektowych, decyzję o wyborze technologii nale\
y 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 du\
e dokładności, ale ze względu na bardzo małą wydajność
stosuje się ją wyłącznie w produkcji jednostkowej, głównie do wytwarzania narzędzi
specjalnych.
5. ELASTYCZNE TECHNOLOGIE KSZTAA
TOWANIA ZA
OśONYCH BRYA

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 du\
e 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
u\
ytkowym 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 u\
yciu dedykowanego dla aparatury programu
(odpowiednik CAM) przygotowuje się proces stereolitograficzny. Zasada metody
stereolitografii laserowej polega na warstwowym utwardzaniu \
ywicy 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, mo\
na je równie\
kleić, szpachlować i lakierować. Klejenie odbywa się przy
pomocy ciekłej \
ywicy 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,
mo\
na szybko wykonać formy do wytwarzania całej serii obiektów, np. przez napylenie
powłoki metalowej, nało\
enie kompozytowej skorupy, lub zalanie gipsem albo tworzywem
silikonowym.
Wszystkie te technologie mogą słu\
yć do wytwarzania krótkich serii produktów z tworzyw
sztucznych - poliuretanów bądz
tworzyw termoplastycznych. Mo\
liwe jest tak\
e zastosowanie
Strona 12
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
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 In\
ynieria Wsteczna. (Reverse Engineering) jest u\
ywana w celu uzyskania
komputerowego modelu obiektu fizycznego (skanowanie przestrzenne), który jest konieczny
do zaprojektowania części, która mo\
e być następnie wykonana technologią szybkiego
prototypowania lub na obrabiarkach CNC (kopiowanie numeryczne). Kopiowanie numeryczne
mo\
na wykonać na centrach obróbkowych wyposa\
onych w sondy pomiarowe i odpowiednie
oprogramowanie układu CNC, lub na specjalnych maszynach pomiarowych.
6. AUTOMATYZACJA MONTAśU
Monta\
polega na trwałym połączeniu ze sobą części wyrobu. Monta\
niezautomatyzowany, a
zmechanizowany wykonywany jest przez człowieka przy pomocy narzędzi eliminujących du\
y
wysiłek fizyczny i zapewniających powtarzalność połączenia.
Monta\
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 poło\
enia w przestrzeni.
- dostarczenia jej na miejsce monta\
u, często połączone z manipulacją w przestrzeni.
- pozycjonowania części względem siebie z du\
ą dokładnościa.
- wykonania połączenia.
- usunięcia zmontowanego zespołu lub przekazania go do następnej operacji.
Urządzenia pozwalające wykonywać te czynności automatycznie wykorzystują indywidualne
cechy ka\
dego asortymentu montowanych części. Jednocześnie, koszt wykonania tych
urządzeń jest wysoki, co sprawia, \
e elastyczność systemów monta\
owych jest mocno
ograniczona. Wysokowydajne linie monta\
owe są zwykle strukturami  sztywnymi zdolnymi
po przezbrojeniach wykonywać monta\
co najwy\
ej 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 monta\
ową tak, \
e umieszczone są w niej stanowiska monta\
owe
wykonujące wszystkie operacje dla całej grupy asortymentów. Linia mo\
e mieć strukturę
Strona 13
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
szeregową bądz
równoległą. Podczas produkcji ka\
dego asortymentu część stanowisk nie
pracuje. Czas przezbrojenia jest krótki, ale elastyczność jest ograniczona zało\
eniami
projektowymi linii.
- nadając linii monta\
owej 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 monta\
owych mo\
na znacznie zmniejszyć je\
eli automatyzację
monta\
u uwzględni się podczas projektowania wyrobu i w poprzedzających go fragmentach
procesu produkcyjnego.
6.1 Projektowanie wyrobu z uwzględnieniem automatycznego monta\
u.
Połączenia stosowane w budowie maszyn mo\
na 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
monta\
em 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 najwy\
ej dozowania. Przykładem są połączenia klejone i spawane.
- połączenia śrubowe nale\
ą do kłopotliwych, gdy\
wymagają automatycznego
separowania, orientowania, manipulacji i precyzyjnego pozycjonowania dostarczanych
śrub, nakrętek i podkładek. Nale\
y pamiętać, \
e kosztownym zabiegiem jest wykonanie
otworu gwintowanego w montowanej części.
Projektując geometrię części przewidzianej do automatycznego monta\
u, często opłaca się
umieścić w niej elementy zbędne z punktu widzenia konstrukcji, ale ułatwiające monta\
:
- elementy ułatwiające orientację, np. doprowadzenie do symetrii kształtu pozwala na
orientację do dwóch, zamiast jednego poło\
eń.
- 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 monta\
u w projektowaniu procesu wytwarzania
części.
Jak to ju\
powiedziano, znacznych kłopotów w automatyzacji monta\
u przysparza konieczność
orientowania części. Urządzenia te są zwykle dosyć skomplikowane a co za tym idzie
kosztowne i bardziej zawodne. Oczywiste jest, \
e wyeliminowanie ich było by pod ka\
dym
względem korzystne. W wielu wypadkach mo\
na to zrobić, odpowiednio projektując procesy
technologiczne montowanych części. Zwróćmy uwagę, \
e po zakończeniu obróbki, część jest
zwykle odseparowana od innych i jest zorientowana. Je\
eli jesteśmy w stanie zachować to do
chwili monta\
u, to nie będziemy musieli tych czynności wykonywać powtórnie na stanowisku
monta\
owym. Mo\
na to zrealizować następująco:
- części po obróbce zostają zmagazynowane w sposób zorientowany i wraz z magazynkiem
dostarczone na stanowisko monta\
owe. Magazynki te mogą mieć ró\
ną 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 monta\
em. Innym przykładem jest przekazywanie części do
monta\
u na paletach lub w taśmach.
- w niektórych przypadkach mo\
na obróbkę umieścić w linii monta\
owej np.: wykrawanie
drobnych podkładek z miękkich materiałów, odcinanie i gięcie elementów z drutu itd.
Strona 14
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Nie zawsze powy\
sze zalecenia dają się zrealizować. Powodem są zarówno wymagania
konstrukcyjne (wytrzymałość złącza, mo\
liwość rozebrania wyrobu) jak i ograniczenia natury
organizacyjnej (brak wpływu na technologię u kooperanta).
6.3 Typowe rozwiązania systemów monta\
owych
Stanowisko półautomatyczne. Wymaga najmniejszych inwestycji. Stanowisko monta\
owe
jest obsługiwane przez operatora, który ręcznie podaje montowane części. Zautomatyzowane
jest zwykle wykonanie samych połączeń. Zmontowany zespół jest ręcznie usuwany ze
stanowiska.
Zautomatyzowane stanowisko monta\
owe. Rola operatora ogranicza się do napełniania
zasobników z montowanymi częściami. Takie rozwiązanie umo\
liwia operatorowi jednoczesną
obsługę kilku stanowisk produkcyjnych.
Zautomatyzowana linia monta\
owa. Połączenie zautomatyzowanych stanowisk
monta\
owych systemem automatycznego transportu pozwala na wykonywanie większej ilości
operacji monta\
owych. System transportu mo\
e mieć postać stołu obrotowego, transporterów
liniowych, transportu podwieszonego itd., a\
do bezszynowych wózków obsługujących całą
halę. Jest to najbardziej zaawansowana forma automatyzacji monta\
u, ale te\
i wymagająca
największych nakładów. Jest to struktura  sztywna .
Zrobotyzowane gniazdo monta\
owe. Jest to struktura najbardziej elastyczna spośród
wszystkich wymienionych. Centralnym punktem gniazda jest robot przemysłowy, który w
swoim otoczeniu mo\
e wykonywać czynności monta\
owe. Przestawienie samego robota na
inny asortyment produkcji jest czynnością nie wymagającą nakładów i nie powodującą
długiego przestoju w produkcji, gdy\
polega na zmianie oprogramowania. Gorzej jest z
elastycznością jego otoczenia, gdy\
tutaj potrzebna jest zwykle wymiana oprzyrządowania.
Je\
eli w otoczeniu robota daje się umieścić oprzyrządowanie dla dwu lub więcej
asortymentów, to przezbrajanie mo\
na wykonać zawczasu, podczas monta\
u poprzedniego
wyrobu, a więc bez przestoju produkcji. Koszt takiego stanowiska jest wysoki, ale
rekompensuje go elastyczność. Gniazdowa struktura systemu monta\
owego znalazła
największe zastosowanie w budowie zrobotyzowanych stanowisk spawalniczych.
6.4 Podsumowanie: Wzrost wydajności dzięki automatyzacji monta\
u jest zwykle niewielki w
stosunku do ponoszonych nakładów. Niewątpliwą zaletą jest wzrost powtarzalności monta\
u i
poprawa bezpieczeństwa pracy przez odsunięcie człowieka od stref zagro\
enia. Dlatego daleko
posunięta automatyzacja monta\
u 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
niezale\
ny 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 du\
ą 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.
Strona 15
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
7.2 Pełna i statystyczna kontrola jakości wyrobu
Najdalej posunięte gwarancje wyeliminowania części wadliwych (braków) daje kontrolowanie
ka\
dego wyprodukowanego egzemplarza wyrobu. Jest to proces kosztowny gdy\

wykonywanie pomiarów jest czasochłonne, a w wypadku gdy kontrola wymaga
przeprowadzenia prób niszczących wyrób jest to niemo\
liwe. Sposobem na ograniczenie
kosztów kontroli jest wprowadzenie statystycznej kontroli jakości.
Kontrola statystyczna polega na tym, \
e 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, bądz
odrzuceniu całej partii. Tryb postępowania jest ściśle określony normami
opartymi o rachunek prawdopodobieństwa. Dlatego statystyczna kontrola jakości nie daje
pełnej gwarancji, \
e w badanej partii nie znajdzie się egzemplarz wadliwy, mo\
na mówić
jedynie o pewnym poziomie ufności, \
e takie zdarzenie nie wystąpi. Przy najostrzejszym trybie
kontroli statystycznej, pobierając próbę liczącą 20% wyprodukowanych wyrobów i
stwierdzając, \
e nie występuje w niej ani jedna sztuka wadliwa - prawdopodobieństwo, \
e
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 mo\
e być przyczyną roszczeń, chyba \
e odbiorca udowodni dostawcy
świadome 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, \
e 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 ka\
dej partii a nawet ka\
dego 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, chocia\
są pozytywne
wyjątki. Przykładem mogą być uniwersalne maszyny pomiarowe pozwalające na kontrolę
wymiarów bardzo zró\
nicowanych 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 powa\
ne, szczególnie wtedy gdy nara\
ają na
szwank zdrowie i bezpieczeństwo ludzkie. W ostatnim wypadku bywa ona koniecznością, np.
przemysł farmaceutyczny, spo\
ywczy itd.
Strona 16
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
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.
Je\
eli naszym celem jest zaprojektowanie nowego urządzenia to prace powinny zostać
rozpoczęte od dokładnego ustalenia nie tylko kolejności zabiegów technologicznych ale
równie\
wartości liczbowych wszystkich parametrów procesu. Na tym etapie prac bardzo du\
e
znaczenie ma wykonanie prób technologii, sprawdzających ją w warunkach jak najbardziej
zbli\
onych do przyszłej eksploatacji urządzenia. Przeprowadzenia tych prób mo\
na zaniechać
jedynie w przypadku posiadania przez projektanta praktycznych doświadczeń, zebranych
podczas wcześniejszych prac o zbli\
onym charakterze. W \
adnym razie nie powinno się
poprzestawać wyłącznie na wirtualnych symulacjach procesu.
Realizację procesu technologicznego zapewniają elementy wykonawcze automatu. Są
to ró\
nego 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 mo\
na zrealizować wykorzystując mo\
liwości realizacji wielu funkcji
logicznych przez układy sterujące przepływem energii, wzbogacone o proste układy
przekaz
nikowe. Sterownik staje się wówczas zbędny.
Znajomość schematu struktury ma praktyczne znaczenie, gdy\
pozwala
usystematyzować postępowanie podczas projektowania a nawet tylko oględzin automatu.
8.2 Elementy wykonawcze
Strona 17
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
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 wdro\
enia do eksploatacji gotowego
urządzenia, co w przypadku pilnych zamówień ma du\
e znaczenie ekonomiczne.
8.3 Napędy
Ka\
dy 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 du\
ą
prędkością. Wadą napędów pneumatycznych są ograniczenia dynamiczne wynikające ze
ściśliwości powietrza i głośna praca a tak\
e wymagany dostęp do sieci sprę\
onego 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 du\
e 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 du\
e siły. Zastosowania są ograniczone do przemieszczeń na małe
odległości np.: mocowanie przedmiotów.
8.4 Urządzenia sterujące przepływem energii
Rozwój elektroniki du\
ych mocy znalazł zastosowanie w budowie regulatorów napędów
elektrycznych, wśród których szczególnie du\
e 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
du\
ej 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 zło\
onych systemach produkcyjnych wymagana jest równie\
komunikacja z resztą
systemu za pośrednictwem typowych interfejsów. Dosyć często sterownik zapamiętuje historię
urządzenia, rejestrując czas i okoliczności wystąpienia awarii.
Bardzo du\
y nacisk kładzie się na to aby komunikacja z obsługującym była  przyjazna dla
u\
ytkownika . Dlatego coraz częściej sterowniki wyposa\
a się w kolorowe ekrany dotykowe, a
oprogramowanie części wizualnej bywa często bardziej skomplikowane ni\
cyklu pracy
maszyny.
Strona 18
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
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 cię\
kich, z czym wią\
e się wytrzymałość
na zginanie. Ka\
da firma oferuje do swoich profili bogaty asortyment złącz, pozwalających
budować z nich ró\
ne konstrukcje przestrzenne. Przestrzenie pomiędzy profilami mo\
na
wypełniać płytami metalowymi, z tworzyw sztucznych lub siatką, tworząc w ten sposób
osłony. Sztywność takich konstrukcji jest zwykle ni\
sza ni\
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. BEZPIECZEC
STWO OBSA
UGI, 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 zagro\
enia. 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 demonta\
u,
- powodować mo\
liwie najmniejsze ograniczenia w widoczności procesu technologicznego,
- umo\
liwiać 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 sprzę\
one z podzespołem blokującym, uniemo\
liwiającym
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 u\
ycia narzędzi lub automatycznie
zgodnie z potrzebami wykonywanej pracy.
9.2 Zabezpieczenia elektryczne i elektroniczne
Wyłącznik bezpieczeństwa unieruchamia maszynę lub doprowadza do stanu nie
powodującego zagro\
enia w taki sposób, \
e jej ponowne uruchomienie musi być świadomą
decyzją obsługującego.
- jest czerwony i wystający (grzybek)
- na \
ółtym tle
- umieszczony w dobrze widocznym miejscu
- łatwo dostępny
Ponowne uruchomienie maszyny powinno nastąpić po usunięciu przyczyny i naciśnięciu
przycisku reset.
Strona 19
H. Mierzejewski Konspekt wykładu: Automatyzacja Procesów Technologicznych
Podobne działanie powinny mieć wyłączniki awaryjne, kurtyny świetlne i inne sensory
kontrolujące dostęp do stref zagro\
enia.
Wszelkie niebezpieczeństwa na które mo\
e być nara\
ony u\
ytkownik, nale\
y sygnalizować
poprzez umieszczenie ostrze\
eń na urządzeniu i w instrukcji obsługi
Problem konfliktu ergonomicznego
Stosowanie osłon ochronnych i innych zabezpieczeń często utrudnia obsługiwanie
urządzenia. Nie nale\
y więc przesadzać w ilości zabezpieczeń i stosować je w sposób
racjonalny, wynikający z kalkulacji ryzyka.
Nadmiar zabezpieczeń mo\
e prowadzić do konstrukcji absolutnie bezpiecznej, tzn.
takiej której w praktyce nie da się w ogóle u\
ywać.
9.3 Certyfikacja, znak  CE
Maszyny powinny posiadać certyfikat zgodności z Dyrektywą UE, w postaci znaku  CE
oznaczającego \
e:
Producent winien skompletować dokumentację techniczną i przechowywać ją przez 10
lat. Dokumentacja winna obejmować dokumentację konstrukcyjną, technologiczną oraz
instrukcję obsługi i umo\
liwiać ocenę zgodności cech wyrobu z obligatoryjnymi wymogami
dyrektywy maszynowej UE.
Ten tryb mo\
e 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 tak\
e numerem identyfikacyjnym
jednostki certyfikującej, je\
eli była ona zaanga\
owana w procedurę potwierdzania zgodności.
Finałem tych procedur jest znak "CE", umieszczany na opakowaniu lub dokumentacji
towarzyszącej wyrobowi przez producenta, Znaku "CE" nie nale\
y traktować jako symbolu
jakości ani rękojmi bezpieczeństwa towaru. Jest on jedynie potwierdzeniem, i\
producent
deklaruje zgodność wyrobu z zasadniczymi wymaganiami bezpieczeństwa
Strona 20