POLITECHNIKA ŚLĄSKA

Wydział Mechaniczny – Technologiczny

Automatyzacja i robotyzacja
procesów wytwórczych

Projekt: Komputerowy system oceny efektywności ESP

Dariusz Zeman

Mechatronika Gr I

Semestr V

Gliwice 2012

Wstęp teoretyczny [1]

Cykl produkcyjny - jest to czas potrzebny do wykonania określonego zadania produkcyjnego. Najczęściej mamy tutaj do czynienia z zadaniami wykonania jakiegoś wyrobu lub wyrobów (serii, partii) - prostych lub złożonych. Cykl produkcyjny można przedstawić jeszcze jako okres między początkiem, a zakończeniem procesu produkcyjnego wyrobu, w którym materiał (lub surowiec) na dany wyrób przechodzi fazy przekształcania w gotowy wyrób. Sam okres cyklu produkcyjnego dzielimy na:

• okres roboczy

  • czas trwania operacji technologicznych (okres technologiczny)

  • czas trwania procesów naturalnych

  • czas trwania operacji kontrolnych

  • czas trwania konserwacji

  • czas trwania transportu

  • okres roboczy występujący w procesie magazynowania

• okres przerw

  • przerwy wynikające z organizacji procesu produkcyjnego (m.in.: czas oczekiwania w magazynach; w związku z obróbką partii; w oczekiwaniu na zwolnienie stanowiska roboczego)

  • przerwy wynikające z organizacji dnia roboczego (m.in.: przerwy międzyzmianowe; planowanie przerw wewnątrz zmiany; wolne, zmiany w dni wolne od pracy; inne przerwy)

Rozpoczęcie – pobranie z magazynu materiałów do produkcji

Zakończenie – zdanie gotowych wyrobów do magazynu

Przebieg szeregowy - polega na tym, że dana operacje technologiczna rozpoczyna się realizować dopiero wtedy, gdy poprzedzająca ja operacja została wykonana na wszystkich wyrobach wchodzących w skład partii obróbkowej[2].

tji – czas jednostkowy i-tej operacji technologicznej,

Tpzi – czas przygotowawczo – zakończeniowy i-tej operacji technologicznej,

ttri – czas kolejnych operacji transportu,

nobr – liczba sztuk w partii obróbkowej.

Przebieg równoległy procesu wytwarzania zakłada – przekazywanie wyrobów lub partii transportowej pomiędzy operacjami natychmiast po wykonaniu operacji poprzedzającej.

tji – czas jednostkowy i-tej operacji technologicznej,

tjmax – najdłuższy czas jednostkowy operacji wchodzących w skład procesu technologicznego,

Tpzi – czas przygotowawczo – zakończeniowy i-tej operacji technologicznej,

ttri – czas kolejnych operacji transportu,

m – kolejna operacje w procesie technologicznym,

nobr – liczba sztuk w partii obróbkowej,

ntr – liczba sztuk w partii transportowej.

Zautomatyzowane elastyczne systemy produkcyjne (ang. flexible manufacturing system - FMS); umożli­wiają automatyczne, przy różnym stopniu automatyza­cji, wytwarzanie określonej grupy wytworów pod nad­zorem komputera. Mianem elastycznego systemu produkcyjnego określa się najczęściej system produkcji, w którym zastosowano tzw. środki elastycznej automatyzacji produkcji, tj. urządzenia produkcyjne sterowane komputerowo, charakteryzujące się dużą wielostronnością i łatwością przezbrajania. Elastyczność systemu produkcyjnego jest jedną z jego najistotniejszych cech osiąganych różnymi drogami; poczynając od ukształtowania asortymentu wyrobów, poprzez dobór maszyn i urządzeń produkcyjnych, strukturę organizacyjną, systemy sterowania produkcją, współpracę pracowników, aż do odpowiedniego ukształtowania powiązań ESP z otoczeniem.

Elastyczny system produkcyjny skutecznie łączy dwie przeciwstawne właściwości systemów produkcyjnych:

• wysoką wydajność; taką, jak w automatycznych liniach produkcyjnych (w systemie rytmicznej produkcji),

• różnorodność asortymentu produkcji; taką, jak w gniazdach technologicznych (w systemie nierytmicznej produkcji).

Przy tworzeniu takiego systemu trzeba brać pod uwagę następujące dziedziny elastyczności[3]:

• elastyczność zastosowania: wielostronność, duża liczba różnych procesów produkcyjnych, które można wykonywać na danym systemie (automatycznie go przesterowując);

• elastyczność dostosowania: zdolność dostosowania, możliwość przezbrojenia maszyn w krótkim czasie lub małym kosztem;

• elastyczność planowania: dotycząca zainstalowanych mocy produkcyjnych, wybieranych procesów produkcyjnych, zestawienia maszyn;

• elastyczność wykorzystania: w zależności od warunków logistycznych (organizacja przebiegu procesów).

Schemat rozmieszczenia urządzeń technologicznych w gnieździe

Rys 1. Układ gniazda

Rys 2. Podgląd stanowiska w programie gniazdo 2004

Opis elementów gniazda

Robot przemysłowy IRB4400/45 oraz 4400/60 - produkowane przez zakłady MERA-PIAP na licencji ASEA. Roboty tego typu mogą być stosowane zarówno do prac manipulacyjnych (obsługa obrabiarek skrawających, pras, maszyn odlewniczych, wtryskarek), jak też w charakterze maszyn technologicznych (spawanie łukowe, zgrzewanie, szlifowanie, gratowanie). Roboty te składają się z części manipulacyjnej i odzielnej szady układu sterowania oraz dołączonych: panelu programowania i jednostki kasetowej. Struktura kinematyczna o pięciu stopniach swobody może być rozszerzona o szusty stopień obrotowy. Udzwig 60kg, udzwig użyteczny: 45 kg. Sprzężenia urządzeń technologicznych z wewnętrzną strukturą układu sterowania dokonuje się za pośrednictwem szesnastu wejść i czternastu wyjść binarnych. Pakiet jednostki centralnej zawiera procesor INTEL 8008. 14-bitowa szyna adresowa umożliwia adresowanie 16 kB pamięci. Możliwe są cztery tryby pracy układu: praca ręczna, praca automatyczna, czytanie i zapisywanie na kasecie. Robot może pozycjonować zgrubnie i dokładnie (z maksymalną dokładnośćią 0.1mm).

Rys 3. Robot przemysłowy IRB4400/45 - 4400/60

Tokarka TZC32N1 - Tokarka przeznaczona do obróbki przedmiotów typu tarcze, krążki, pierścienie, tuleje, szczególnie o skomplikowanych kształtach z powierzchniami stożkowymi i kulistymi, produkowanych w małych i średnich seriach. Tokarka pozwala na obrobkę w jednym zamoccowaniu powierchni zewnętrznych i wewnętrznych. Dzięki zastosowaniu numerrycznego układu sterowania oraz sześciopozycyjnej głowicy narzędziowej możliwa jest duża koncentracja zabiegów tokarskich. Tokarka wyposażona jest w jeden supoert krzyżowy, na tórym umocowano głowicę narzędziową. Suport napędzany jest za pomocą siłownikow. Głowica narzędziowa przystosowana jest do toczenia zewnętrznego i wewnętrznego. Do powierzchni bocznych głowicy przymocowane są imaki z dokładnie ustawionymi nożami. Ustawienie narzędzi przeprowadza się na specjalnym stoliku współrzędnościowym. Wrzeciono ma sześći prędkości obrotowych, zmienianych w czasie cykli pracy za pomocą sprzęgieł elektromagnetycznyh. Program pracy tokarki, zapisany na ośmiościezkowej taśmie dziurkowanej zawiera dyspozycje dotyczące kierunków oraz prędkości obrotowej wrzeciona, obrót głowicy narzędziowej i zatrzymanie obrabiarki po zakończeniu procesu obróbki. Tokarka może być wyposażona w dowolny ukła sterowania trzeciej lub czwartej generacji.

Rys 4. Tokarka TZC32N1

Stanowisko reorientacji - Jest to stanowisko odkładcze, będące jednocześnie magazynaem przejściowym. Z racji bardzo dużego obciążenia, jego usytuowanie jest szczególnie istotne i musi być dobrane optymalnie, tj. możliwie centralnie względem obrabiarek, oraz blisko magazynu chwytaków. Magazyn chwytaków i stanowisko reorientacji są najczęstszymi punktami pozycjonowania robota w całym gnieździe.

Magazyn chwytaków - Magazyn wymiennego oprzyrządowania robota. Ze względu na zmieniającą się postać geomatryczną detalu po każdej operacji obróbkowej, magazyn wyposażony jest w cztery chwytaki. Zmiana chwytak jest możliwa na pomocą pneumatycznego zmieniacza. Każdy chwytak jest ściśle przypisany do swojego miejsca w magazynie. Chwytaki zostały zbudowane na bazie standardowych siłowników pneumatycznych QHRC.

Rys 5. Chwytak z siłownikiem pneumatycznym QHRC

Grawitacyjny, rolkowy magazyn wejściowy/wyjściowy - Magazyny tego typu obok palet są najczęściej stosowanymi magazynami w zautomatyzowanych gniazdach produkcyjnych. Charakteryzują się prostą konstrukcją i możliwością magazynowania przedmiotów o dużej rozpiętości średnic bez dokonywania jakichkolwiek przeróbek adaptacyjnych.

Rys 6. Grawitacyjny, rolkowy magazyn wejściowy/wyjściowy

Obliczenia

T1 Czas obróbki w pierwszym zamocowaniu [s] T1=143

T2 – Czas obróbki w drugim zamocowaniu [s] T2=163

Lns – liczba narzędzi w pracy szeregowej Lns=7

Lnr – liczba narzędzi w pracy równoległej Lnr=14

Tpzs – czas przygotowawczo-zakończeniowy dla pracy szeregowej

Tpzr – czas przygotowawczo-zakończeniowy dla pracy równoległej

Tln – czas przygotowania jednego narzędzia

Rodzaj czynności	Czas czynności [min]
Włączenie sterowania nadrzędnego	1.08
Włączenie OSN1	0.25
Włączenie OSN2	1.83
Wczytanie programu do OSN1	0.25
Wczytanie programu do OSN2	0.33
Wprowadzenie danych wejściowych do sterowania nadrzędnego	0.45
Wymiana narzędzia w głowicy narzędziowej:	zamocowanie 1.05, odmocowanie 0.51
Sprawdzenie ustawienia narzędzia	1.50
Korekcja narzędzia	0.36
Próba programu maszynowego	czas cyklu maszyny

Tpzs = Tln*Lns Tpzr = Tln*Lnr

Czasy odczytane z tabeli dotyczące czasu przegotowania jednego narzędzia:

• -czasu wprowadzenia danych wejściowych do sterowania nadrzędnego: 0,45min - 27s

• -wymiany narzędzi w głowicy narzędziowej:

• zamocowanie: 1,05min - 63s                                                  

• od mocowanie: 0,51min - 30,60s

• -sprawdzenia ustawienia narzędzi: 1,50min -90s

• -korekcji narzędzi: 0,36min - 21,6s

Tln = 27 + 63 + 30,6 + 90 + 21,6 = 232,2 s

Tpzs = 232,2s * 7 = 1625,4 s

Tpzr = 232,2s * 14 = 3250,8 s

Wnioski

Produkcja szeregowa jest bardziej opłacalna przy wykonaniu do 120 sztuk, poza drobną częścią pojedynczych partii. Przy produkcji powyżej 120 sztuk można stwierdzić że opłacalna staje się produkcja równoległa.

Z przeprowadzonej symulacji procesu wytwarzania wynika, iż podsystem obrabiarek jest w uzasadnionych przypadkach odpowiedni do realizacji zdefiniowanego zadania. Możemy zatem stwierdzić iż:

• Szeregowy proces wytwarzania charakteryzuje się:

  • Długim cyklem wytwarzania

  • Mniejszą ilością operacji transportowych

  • Ciągłością produkcji

  • Krótkimi czasami operacji technologicznych

  • Małą liczbą operacji

• Zaś przebieg równoległy procesu wytwarzania wyróżnia się:

  • Skróconą długością cyklu wytwórczego

  • Zwiększoną liczbą operacji transportowych

FMS należy do jednych z najbardziej kosztownych obiektów przemysłowych, dlatego tak ważna jest analiza wszystkich możliwych czynników mających wpływ na proces produkcyjny. Zatem najistotniejsze jest aby w sposób najbardziej optymalny wykorzystać potencjał elastycznych systemów produkcyjnych.

Źródła

• K. Pasterniak, Zarys zarządzania produkcją. PWE Warszawa 2005 [1]

• http://zzsw.zut.edu.pl/download/AB/Organizacja_systemow_produkcyjnych_materialy_do_wyk.pdf [2]

• http://portalwiedzy.onet.pl/127656,,,,elastyczny_system_produkcji_flexible_manufacturing_system,haslo.html [3]

• Ryszard Zdanowicz, Podstawy Robotyki, Gliwice 2010

Wykres nr 1. Wyznaczenie granicznej wielkości partii