Maszyny
technologiczne
(6) Elastyczna
automatyzacja
produkcji
Wacław Skoczyński
pok. 2.17 B-4, tel. [phone]
[e-mail]
Zakres tematyczny
" przesłanki powstania i rozwoju elastycznej
automatyzacji produkcji
" poziomy elastyczności systemu wytwórczego
" podział zautomatyzowanych ESW
" podstawowe składniki ESW
" struktury elastycznych systemów wytwórczych
" główne podsystemy funkcjonalne w elastycznym systemie
wytwórczym
1
Wykorzystane z
ródła
Część wykładu Maszyny technologiczne pt.: Elastyczna
automatyzacja produkcji została opracowana na
podstawie podręczników:
1. Honczarenko J.: Elastyczna automatyzacja
wytwarzania. WNT, Warszawa 2000
2. Krzyżanowski J.: Wprowadzenie do elastycznych
systemów wytwórczych. Oficyna Wydawnicza
Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2005
Przesłanki powstania i rozwoju elastycznej
automatyzacji produkcji
2
Przesłanki rozwoju elastycznej automatyzacji wytwarzania
- tendencje rynkowe stymulujące rozwój
elastycznej produkcji
Wielowariantowość
Czas życia produktu
1970 1980 1990 1970 1980 1990
Złożoność produktu
Wymagane terminy dostaw
1970 1980 1990 1970 1980 1990
Przesłanki rozwoju elastycznej automatyzacji wytwarzania
- bilans czasu użytkowania maszyn
i urządzeń wytwórczych
5
4
6% 4%
3
12%
44% 1
34%
2
1  niewykorzystanie drugiej i trzeciej zmiany,2  weekendy, dni świąteczne i
urlopy, 3  prace przygotowawcze, 4  obróbka, 5  nieprzewidziane problemy.
3
Przesłanki rozwoju elastycznej automatyzacji wytwarzania
- bilans czasu przepływu przedmiotu
obrabianego przez wydział produkcyjny
5% 95%
Przedmiot Transport i oczekiw anie
na obrabiarce
Średni czas
przepływu
przedmiotu
Czas przebywania
reprezentatywnego
przedmiotu na
obrabiarce
Skraw anie Postój
ok. 1,5% ok. 3,5%
Krzywe życia wyrobów high-tech i low-tech
4
Cel wprowadzenia elastycznych systemów
wytwórczych i ich definicja
Celem wprowadzenia elastycznych systemów wytwórczych
(ESW) jest ekonomicznie efektywne wytwarzanie różnych
przedmiotów, w dowolnej kolejności i przy dowolnie zmien-
nej liczebności serii
ESW jest to pewna liczba zautomatyzowanych obrabiarek lub
innych urządzeń wytwórczych połączonych z sobą systemem
transportowym, sterowana bezpośrednio hierarchicznym
systemem komputerowym i przewidziana do wytwarzania w
dowolnej kolejności elementów lub zespołów należących do
z góry określonej rodziny.
Warunki osiągnięcia celu wprowadzenia
elastycznych systemów wytwórczych
- odpowiedni zapas przedmiotów obrabianych i narzędzi,
- zautomatyzowany transport przedmiotów obrabianych,
- zautomatyzowane zaopatrywanie obrabiarek w narzędzia,
z dostarczaniem danych dotyczących ich nastawy i stanu,
- automatyczne uruchamianie odpowiednich programów
obróbki,
- automatyczne odprowadzanie wiórów,
- automatyczne mycie przedmiotów, przyrządów mocują-
cych i palet na obrabiarce lub w myjniach,
- zautomatyzowana kontrola przedmiotów obrabianych na
obrabiarce lub na specjalnych stanowiskach,
- w razie potrzeby, nadrzędne systemy zarządzające w po-
staci komputera zarządzającego i/lub systemu DNC,
- stosownie do potrzeb, scentralizowane systemy nadzoru
i diagnostyki.
5
Aspekty elastyczności systemu wytwórczego
Elastyczność maszynowa
Określa ona łatwość dostosowywania się obrabiarek do
wymagań pojawiających się przy wytwarzaniu różnych
przedmiotów należących do określonego spektrum (przy
zmianie zadania obróbkowego). Zapewnia ją automatyzacja
zmiany narzędzi. Elastyczność maszynowa jest cechą
poszczególnych obrabiarek. Można na nią wpływać m.in.
poprzez rozmiary przystanowiskowego magazynu
narzędziowego.
6
Elastyczność procesowa
Określa ona możliwość wytwarzania przedmiotów przy
zastosowaniu różnych procesów technologicznych (różniących
się np. kolejnością wykonywania operacji). Im większa jest
elastyczność procesowa przedmiotów obrabianych tym lepiej
można zrównoważyć obciążenie poszczególnych obrabiarek
w systemie wytwórczym.
Jest cechą przedmiotów obrabianych, na którą można wpły-
wać formułując różne procesy technologiczne dla przed-
miotów obrabianych należących do określonego spektrum.
Elastyczność przepływu przedmiotów
Określa zdolność systemu do swobodnego przemieszczania
różnych przedmiotów obrabianych i ich pozycjonowania przy
obrabiarkach. Im większa jest elastyczność tego rodzaju tym
lepsze może być zasilanie w przedmioty poszczególnych
obrabiarek przy wykorzystaniu ich elastyczności maszynowej;
nie występują bowiem ograniczenia narzucane przez system
przepływu materiałów.
Ten rodzaj elastyczności jest cechą podsystemu przepływu
materiałów. Zależy on od rozwiązań technicznych przyjętych
w tym podsystemie i od rozmieszczenia dróg transportowych.
7
Elastyczność kolejności przepływu przez
stacje robocze
Elastyczność tego rodzaju oznacza, że przedmiot o ściśle
określonym procesie technologicznym może przyjmować
różne trasy przebiegu przez system. Oznacza to zdolność do
kontynuowania pracy systemu np. w wypadku zakłóceń
w pracy jednej z obrabiarek. Elastyczność ta jest związana
z cechami urządzeń wytwórczych składających się na system
i zależy m.in. od liczby jednakowych (lub zastępujących się)
obrabiarek oraz możliwości szybkiego ich wyposażenia
w potrzebne narzędzia.
Elastyczność rodzaju wyrobów
Przy założeniu, że w rozpatrywanym przedziale czasowym,
istniejący ESW nie będzie miał możliwości rozbudowy
i przezbrajania, elastyczność ta będzie określać liczbę
różnych typów przedmiotów, które będą mogły być
wytwarzane bez konieczności zatrzymywania systemu w celu
jego przezbrojenia. Im większa jest ta liczba, tym mniejsze
są konieczne zapasy magazynowe niezbędne dla dotrzymania
określonych terminów dostaw.
8
Elastyczność zmiany rodzaju wyrobów
Ten rodzaj elastyczności będzie dotyczył liczby różnych typów
przedmiotów, które będą mogły być wytwarzane bez dodatkowych
nakładów inwestycyjnych, przy założeniu, że w pewnym przedziale
czasowym, istniejący ESW nie będzie miał możliwości rozbudowy,
ale będzie mógł być przezbrajany.
Jest ona cechą zależną od właściwości ogółu składników systemu.
Zależy od właściwości eksploatacyjnych stosowanych obrabiarek
i zakresu w jakim mogą się one zastępować lub uzupełniać. Wyższą
elastycznością tego rodzaju cechować się będzie system, w którym
są obrabiarki uzupełniające się, aniżeli system złożony głównie
z obrabiarek zastępujących się.
Elastyczność liczebności serii wyrobów
Wyraża zdolność do ekonomicznie efektywnego wytwarzania
różnych liczebnie serii przedmiotów należących do
określonego spektrum. System elastyczny o wysokiej
elastyczności liczebności serii wyrobów charakteryzuje się
płaskim przebiegiem krzywej kosztów jednostkowych
wyrobu. Elastyczność tego rodzaju jest właściwością systemu
jako całości.
9
Elastyczność rozbudowy systemu
Wyraża zdolność do łatwej rozbudowy systemu przy zmianie
rozmiarów produkcji. Jest to właściwość systemu jako
całości. Można na nią wpływać stosując modułową strukturę
sprzętową i oprogramowania, a także planując odpowiednio
layout systemu (np. planując wolne miejsca dla póz
niejszego
zainstalowania dodatkowych obrabiarek.
Ograniczenia elastyczności systemu
- ograniczone spektrum przedmiotów obrabianych,
- ograniczona wydajność, określona np. liczbą sztuk
produkowanych w jednostce czasu,
- ograniczony zakres możliwych do wykonania operacji
obróbkowych,
- ograniczony zakres dokładności wykonawczych.
10
Podział zautomatyzowanych elastycznych
środków wytwórczych
Podział zautomatyzowanych elastycznych
środków wytwórczych (c.d.)
Systemy jednomaszynowe:
" pojedyncze obrabiarki NC, CNC i centra obróbkowe,
" autonomiczne stacje obróbkowe ASO
Systemy wielomaszynowe:
" elastyczne gniazdo obróbkowe EGO - zbiór zautomatyzowa-
wanych, elastycznych obrabiarek (zwykle obrabiarek NC lub
CNC), dobranych i ustawionych odpowiednio do przydzielo-
nych im zadań, powiązanych urządzeniami transportowymi,
(równoczesna obróbka tych samych przedmiotów)
" elastyczny system obróbkowy ESO - zestaw wielu zautoma-
matyzowanych stanowisk obróbkowych (obrabiarek CNC,
centrów obróbkowych) uzupełnionych stanowiskami nieob-
róbkowymi (równoczesna obróbka różnych przedmiotów)
" elastyczna linia obróbkowa ELO - zestaw zautomatyzowa-
nych stanowisk obróbkowych i stanowisk uzupełniających
11
Poziomy
elastyczności
wytwarzania
Kryteria wyboru jednomaszynowych
elastycznych środków wytwórczych
Obrabiarki NC i CNC - nadają się przede wszystkim do jednostkowej
i seryjnej produkcji przedmiotów typopodobnych; są efektywne, jeżeli
są wyposażone w niezbędne uchwyty przedmiotowe i komplet narzędzi
skrawających oraz zweryfikowane programy technologiczne zgroma-
dzone w pamięci CNC; przy obróbce na kilku obrabiarkach NC konieczne
są magazyny międzyoperacyjne.
Centra obróbkowe - są przeznaczone przede wszystkim do produkcji
średnioseryjnej o dużej częstotliwości zmian profilu produkcyjnego
w ciągu roku i o dużych wymaganiach dokładnościowych obróbki,
zwłaszcza w odniesieniu do przedmiotów wymagających obróbki wielo-
stronnej w jednym zamocowaniu (dotyczy to przedmiotów typu korpus),
Autonomiczne stacje obróbkowe - są przeznaczone do produkcji śred-
nioseryjnej przedmiotów o ograniczonym zakresie cech technologicznych
i konstrukcyjnych, szczególnie przydatne są w zakładach, w których
wymagana jest obróbka na trzy zmiany (gdy występują problemy
z obsadą), nadają się zwłaszcza dla produkcji o zmiennym asortymencie
nawet w ciągu jednej zmiany roboczej, cechuje je praca bez przerw
oraz bezzwłoczne przezbrojenie obrabiarki.
12
Kryteria wyboru wielomaszynowych
elastycznych środków wytwórczych
Elastyczne systemy obróbkowe jako zestawy wielomaszy-
nowe są przeznaczone do wytwarzania wielu zróżnicowanych
asortymentowo przedmiotów zarówno dla produkcji jedno-
stkowej, jak i wielkoseryjnej. Możliwość równoczesnej obróbki
różnych asortymentowo przedmiotów, wzajemna zastępowal-
ność maszyn technologicznych oraz ich uzupełnianie się
stwarza system wytwórczy o niezwykłych możliwościach nie
tylko technologicznych, ale i organizacyjnych.
Struktury elastycznych środków wytwórczych
o zróżnicowanym poziomie elastyczności
a) dla obrabiarek NC i CNC
b) dla centrów obróbkowych
bez automatycznego trans-
portu przedmiotów,
c) dla systemów elastycznych
z równoległym rozmieszcze-
niem obrabiarek wzajemnie się
zastępujących,
d) dla linii elastycznej składają-
cej się z obrabiarek wzajemnie
się uzupełniających
13
Obszary zastosowań
elastycznych środków wytwórczych
Organizacja elastycznego gniazda wytwórczego
Zarządzanie
Planow anie
zasobami
produkcji
ludzkimi
Elastyczne
gniazdo w ytw órcze
Zarządzanie
Transport
jakością
Personel
Środki
obsługujący
wytwarzania
gniazdo
Sterow anie Gospodar-
Rodzina
w ytw arza- ka materia-
przedmiotów
niem łow a
obrabianych
Utrzymyw anie
Gospodarka
dyspozycyjności
narzędziow a
systemu
14
R
P
Schemat elastycznego systemu wytwórczego
2
9
7
3
8
11
6 6
1
4
5
6
6
1
1
1  magazyn przedmiotów, 2  magazyn przyrządów i uchwytów, 3  stanowisko uzbrajania palet,
4  magazyn buforowy, 5  system transportu palet, 6  stanowiska robocze (obrabiarki), 7  magazyn
narzędzi, 8  urządzenie do ustawiania narzędzi, 9  układ sterowania, 10  system transportu narzędzi,
11  pulpit obsługi
Główne podsystemy funkcjonalne
w elastycznym systemie wytwórczym
SYSTEM
TECHNICZNY
SYSTEM
TECHNICZNY
SYSTEM
SYSTEM
INFORMACYJNY
OBSA
UGOWY
SYSTEM
SYSTEM
INFORMACYJNY
OBSA
UGOWY
- przepływ materiałów
- przepływ informacji
- przepływ personelu, ingerencje obsługi
- przepływ materiałów
- przepływ informacji
- przepływ personelu, ingerencje obsługi
15
Składowe podsystemy
systemu technicznego ESW
SYSTEM
TECHNICZNY
Logistyczne systemy
System System System
w spierające
w ytw arzania narzędziow y przedmiotow y
System
energetyczny
System materiałów
pomocniczych
System
odprow adzania
w iórów
Składowe podsystemy
systemu informacyjnego ESW
SYSTEM
INFORMACYJNY
System
System
krótkoterm inowego
zarządzania
planowania
danymi
i sterowania
System
System sterowania
planowania
Techniczny Organizacyjny
system sterowania system sterowania
16
Podstawowe struktury funkcjonalne
elastycznych systemów wytwórczych
" podsystem maszynowy, stanowiący zbiór obrabiarek NC,
CNC, centrów obróbkowych i stanowisk uzupełniających,
" podsystem narzędziowy, stanowiący zestaw narzędzi i
ich oprawek oraz środków technicznych ich składowania,
transportowania i manipulacji,
" podsystem przepływu przedmiotów, stanowiący zestaw
środków technicznych do składowania i transportowania
przedmiotów obrabianych oraz do manipulacji nimi,
" podsystem przepływu informacji, stanowiący zestaw
środków informatycznych do automatycznego sterowania
procesami roboczymi oraz przepływem informacji w sys-
temie wytwórczym, a także zestaw środków pomiarowo
-kontrolnych do automatycznego nadzoru i diagnostyki
w elastycznym systemie wytwórczym.
Struktura funkcjonalna elastycznego
systemu obróbkowego ESO
17
Sposoby kompletowania obrabiarek
w elastycznym systemie wytwórczym
1. Dobór obrabiarek uzupełniających się, tzn. takich, na
których mogą być realizowane tylko określone operacje
technologiczne. Operacje te nie mogą być wykonywane
na innych obrabiarkach. Taki dobór obrabiarek jest charak-
terystyczny dla struktury organizacyjnej typu elastyczna
linia lub gniazdo obróbkowe.
2. Dobór obrabiarek zastępujących się wzajemnie, np. 3 to-
karki NC, centrum obróbkowe. Cechą takiego systemu jest
możliwość wykonania danej operacji technologicznej na
różnych stanowiskach. Elastyczność takiego systemu jest
większa niż poprzedniego.
a)
wózek
szynowy
Podstawowe struktury organizacyjne
rozładunek
elastycznych systemów wytwórczych
b)
przenośnik
załadunek
a)
wózek
c)
szynowy
wózek
bezszynowy
rozładunek
b)
przenośnik
d)
załadunek
przenośnik
c)
wózek
bezszynowy
d)
18
liniowa
Struktura
Struktura
pierścieniowa
liniowa
Struktura
Struktura
gniazdowa
Struktura
pierścieniowa
Struktura
drabinowa
Struktura
gniazdowa
ruktura
abinowa
a)
1 2
b)
Struktury elastycznych linii produkcyjnych
(sposób zwiększania elastyczności)
3
a)
c)
1
4
1 2
b)
4
2
3
c)
1
a) linia jednorzędowa, b) linia liniowo-kołowa, c) linia z magazynami kompensacyjnymi (1- załadunek,
2- rozładunek, 3- centralne stanowisko załadunku/rozładunku, 4- magazyn kompensacyjny - możliwość
załadunku/rozładunku)
4
4
2
Podział rozwiązań konstrukcyjnych
podsystemu transportu przedmiotów
Podsystemy transportu przedmiotów typu korpus są
budowane w systemie paletowym. Każdy przedmiot obra-
biany jest mocowany w ściśle określony sposób na palecie.
Odbywa się to albo w magazynie przedmiotów (palet), albo
na stanowisku załadowczym. Podsystem transportu zapew-
nia dostarczenie palety do każdego stanowiska wytwórcze-
go w sposób jednoznaczny i powtarzalny.
Podsystem transportu przedmiotów obrotowo-syme-
trycznych jest zorganizowany na innych zasadach.
Przedmioty umieszczone w pojemnikach są transportowane
do poszczególnych stanowisk, gdzie manipulator przedmio-
tów zapewnia pobranie przedmiotu z pojemnika i załado-
wanie na obrabiarkę.
19
Wymagania dotyczące
podsystemu transportu przedmiotów
niezawodność i swobodny transport przedmiotów pomię-
dzy wszystkimi stanowiskami,
" spełnienie warunków bhp,
" żądana dokładność pozycjonowania np. palet na poszcze-
gólnych stanowiskach (stosowanie urządzeń transporto-
wych nie zużywających się),
" możliwość tworzenia magazynów pośrednich (stacji wy-
czekiwania) pomiędzy stanowiskami o zasadniczo różnym
takcie pracy,
" prosta obsługa, zwłaszcza podczas załadowania i wyłado-
wania przedmiotów,
" możliwość rozbudowy stosownie do potrzeb systemu
wytwórczego.
Struktury organizacyjne identyfikacji palet
przedmiotowych
1.Struktura ze ściśle określonym taktem; jest charaktery-
styczna dla szeregowego ustawienia obrabiarek w elastycz-
nej linii.
2.Struktura "z poszukiwaniem wolnego stanowiska wytwór-
czego". Paleta (wraz ze swoim numerem identyfikacyjnym)
porusza się od stanowiska do stanowiska poszukując wolnej
(wolnych) obrabiarki, na której można wykonać niezbędne
operacje. Taka struktura wymaga systemu elastycznego
z obrabiarkami wzajemnie się zastępującymi.
3. Struktura "ze ściśle określonym (przez podsystem stero-
wawania) stanowiskiem (stanowiskami) wytwórczym".
Paleta przedmiotowa jest kierowana do stanowiska wy-
twórczego, które zostało określone przez nadrzędny układ
sterujący. Taka struktura jest charakterystyczna dla ela-
stycznego systemu z obrabiarkami uzupełniającymi się.
20
Strukura organizacyjna przepływu
przedmiotów "z poszukiwaniem wolnego
stanowiska wytwórczego"
1 - odczytanie kodu palety przez czujnik, 2 - przesłanie kodu do DNC, 3 - odszukanie programu
technologicznego dla odczytanego kodu palety, 4 - przesłanie programu technologicznego do pamięci
DNC, 5 - przesłanie programu technologicznego do pamięci CNC. 6a - przesłanie rozkazu do zwrotnicy
o skierowaniu palety do obrabiarki lub - 6b - o nie-skierowaniu
Struktura organizacyjna przepływu
przedmiotów "ze ściśle określonym
stanowiskiem wytwórczym"
1 - przesłanie kodu palety do pamięci CNC, 2 - porównanie z kodem palety odczytanej przez czujnik,
3a - przesłanie rozkazu do zwrotnicy o skierowaniu palety do obrabiarki lub - 3b - o nie skierowaniu
21
Czynniki, możliwości rozwiązań i kryteria
doboru systemów narzędziowych w ESO
Wymagania dotyczące
podsystemu przepływu informacji
w elastycznym systemie obróbkowym
Wymagania ogólne:
" automatyczne sterowanie procesami wytwórczymi,
" automatyczny nadzór i diagnostyka.
Wymagania szczegółowe dotyczące sterowań CNC:
" duża pojemność pamięci CNC dla programów technologicznych;
" duża zdolność przetwarzania zgromadzonych danych;
" możliwość wykorzystywania komputera DNC (lub nadrzędnego)
jako bufora danych;
" możliwość uruchamiania zgromadzonych w pamięci programów
technologicznych przez zew. polecenie;
" ciągła praca w trybie zarządzania narzędziami przez CNC;
" możliwość pomiaru przedmiotu za pomocą sond pomiarowych
bezpośrednio na obrabiarce;
" połączenie z komputerem nadrzędnym za pomocą interfejsu o
dużej mocy transmisyjnej.
22
Usytuowanie komputera zarządzającego w ESO
Funkcje zarządzające komputera nadrzędnego
" przyjmowanie zleceń dotyczących liczby przedmiotów i terminu
wykonania,
" planowanie wykorzystania (obłożenia) poszczególnych stanowisk
wytwórczych,
" czasowy harmonogram przyporządkowujący przedmioty i narzędzia do
danej obrabiarki,
" opracowanie informacji niezbędnej do zarządzania narzędziami, która
umożliwia rozdział narzędzi między poszczególne obrabiarki,
" sporządzanie list narzędzi wymagających sprawdzenia w związku z ko-
niecznością wymiany zużytych narzędzi,
" przygotowanie (z magazynu) potrzebnych uchwytów,
" opracowanie informacji dla podsystemu transportu przedmiotów
o miejscu, do którego przedmioty mają być transportowane,
" opracowanie informacji dla komputera DNC, umożliwiającej wyszuka-
nie potrzebnych programów technologicznych,
" opracowanie informacji dla operatora o przygotowaniu do pracy,
o alternatywnych strategiach w przypadku awarii obrabiarki itp.
23
Funkcje komputera zarządzającego
bezpośrednio związane
z procesami roboczymi w ESO
ustalenie priorytetów w przypadku konfliktu (np. w tym
samym czasie dwa przedmioty mają być obrabiane na tej
samej obrabiarce),
zarządzanie systemem transportowym palet z magazynu
do stanowiska załadowczo-wyładowczego,
opracowanie raportów np. o zużytych narzędziach wyma-
gających wymiany na nowe,
automatyczny nadzór i diagnostyka całego elastycznego
systemu obróbkowego, jak np. diagnozowanie wykruszenia
płytki skrawającej.
Podział robotów przemysłowych
stosowanych w ESW
1. Roboty przeznaczone do manipulowania przedmiotami,
tzn. do wykonywania takich czynności, jak:
załadowanie i rozładowanie obrabiarki,
sortowanie, układanie przedmiotów np. w magazynach,
montowanie z części składowych wyrobów gotowych.
2. Roboty przeznaczone do manipulowania narzędziami, jak
np. pistolety malarskie, pistolety spawalnicze, oczyszczarki
odlewów itp. Istotne jest, że w tych przypadkach nie jest
potrzebna żadna siła posuwowa, moc skrawania czy też
specjalnie wysoka dokładność.
24
Wzajemne usytuowanie
zespołów robota przemysłowego
Podobieństwa i różnice zespołów
funkcjonalnych robota przemysłowego
do obrabiarek NC
Podobieństwa:
" osie sterowane numerycznie,
" indywidualny napęd każdej osi,
" układ pomiarowy położenia każdej osi,
" zmieniacze chwytaków,
" sterowanie numeryczne kształtowe dla równoczesnego
napędu wszystkich osi.
Różnice:
" brak funkcji prędkości obrotowej wrzeciona,
" brak numeracji narzędzia,
" brak funkcji korekcji narzędzia,
" brak interpolacji kołowej.
25
Roboty przemysłowe stosowane
w elastycznie zautomatyzowanym wytwarzaniu
Usytuowanie robota wolnostojącego
w elastycznym systemie wytwórczym
26