Elastyczna Automatyzacja Wytwarzania

Elastyczna Automatyzacja Wytwarzania (ESW) była skokiem jakościowym w technikach produkcji. Ze względu na tendencje rynkowe ma wiele przewag nad wytwarzaniem opartym na niezależnej pracy pojedynczych obrabiarek, jak również wysoko wydajną produkcją z wykorzystaniem obrabiarek specjalnych i linii produkcyjnych.

Rys. 1. Bilans czasu użytkowania maszyn i urządzeń wytwórczych: 1 – niewykorzystanie drugiej i trzeciej zmiany, 2 – weekendy, dni świąteczne i urlopy, 3 – prace przygotowawcze, 4 – obróbka, 5 – nieprzewidziane problemy Przedstawione na wykresach udziały ustalono na podstawie badań statystycznych przeprowadzonych w jednym z zakładów przemysłu amerykańskiego, w którym to zakładzie roczny potencjał czasu pracy wynosił 8 760 godzin. 

Jak zmienia się rynek z punktu widzenia producenta? Najprościej rzecz ujmując: długość produkowanych serii oraz czas życia wyrobów ulega skróceniu. Jednocześnie zwiększa się różnorodność i stopień złożoności produktów. Innymi słowy: klient robi się coraz bardziej wymagający i producenci, chcąc nie chcąc, muszą sprostać dyktatowi konsumenta. Z tego względu w przemyśle na plan pierwszy wysunęło się poszukiwanie rozwiązań, które pozwalają na szybkie zmiany produkcji i reagowanie na życzenia klienta. Jasne stało się, że stosowanie pojedynczych obrabiarek NC nie jest odpowiedzią na wszystkie pojawiające się problemy. Chodzi przede wszystkim o koordynację obciążenia urządzeń wytwórczych i środków transportowych. Rozwiązaniem jest nadrzędne sterowanie w ramach Elastycznej Automatyzacji Wytwarzania. Jej istotą jest wprowadzenie do systemu wytwórczego składnika niematerialnego, jakim jest oprogramowanie. Umożliwia ono przetworzenie dostępnych danych w polecenia dla układu sterowania. Dzięki temu możliwa jest optymalizacja przepływów materiałowych oraz wykorzystanie środków wytwórczych w systemie. Konieczna jest integracja wielu różnych maszyn i urządzeń, dzięki czemu system z nich złożony może funkcjonować jako jedno wielomaszynowe urządzenie wytwórcze. Definicja EAW mogłaby brzmieć następująco:

EAW jest to pewna liczba zautomatyzowanych obrabiarek i/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 zgóry określonej rodziny.

EAW doskonale nadaje się do produkcji różnorodnych wyrobów w niewielkich i średnich seriach. Ze względu na tendencje rynkowe ma wiele przewag nad wytwarzaniem opartym na niezależnej pracy pojedynczych obrabiarek (i innych urządzeń wytwórczych), jak również wysoko wydajną produkcją z wykorzystaniem obrabiarek specjalnych (zadaniowych) i linii produkcyjnych. 

Rys. 2. Bilans czasu przepływu przedmiotu obrabianego przez wydział produkcyjny 

W pojedynkę, w gnieździe, w systemie

Produkcja w ramach EASW może odbywać się na trzy sposoby, a więc autonomiczne stacje obróbkowe, elastyczne gniazda wytwórcze lub elastyczne systemy wytwórcze. Autonomiczna stacja obróbkowa (ASO) jest centrum obróbkowym o rozbudowanym zakresie automatyzacji. Umożliwia bezobsługową obróbkę ograniczonego zapasu przedmiotów. Zmiana przedmiotów dokonywana jest automatycznie, aż do wyczerpania się zapasu. Wymagana pojemność magazynu zależy przede wszystkim od średniego czasu obróbki jednego przedmiotu. ASO wyposażane są w zintegrowane, programowalne urządzenia pomiarowonadzorujące do przeprowadzania kontrolnych pomiarów przedmiotów obrobionych. Umożliwiają sprawdzanie prawidłowości wykonania operacji obróbkowych oraz nadzorowanie stanu narzędzia (w celu jego wymiany), jak i przebiegu procesu obróbki (w celu ochrony całego systemu). 

Rys. 3. Zakresy zastosowań różnych koncepcji organizacyjnych wytwarzania a) wytwarzanie konwencjonalne, b) koncepcje wytwarzania elastycznego, c) sztywna automatyzacja wytwarzania. 

Z kolei elastyczne gniazdo wytwórcze (EGW – rys. 4.), w odróżnieniu od centrum obróbkowego i ASO, stanowi system złożony z wielu obrabiarek i innych urządzeń wytwórczych. Z konstrukcyjnego punktu widzenia jest wydzieloną częścią wydziału produkcyjnego. Pozwala to na przeprowadzenie, na pewnym ograniczonym spektrum przedmiotów obrabianych, wszystkich niezbędnych operacji obróbkowych. Zasadą jest przy tym, że przedmioty te tworzą grupę przedmiotów technologicznie podobnych. W skład EGW, oprócz obrabiarek (i innych urządzeń) sterowanych numerycznie, mogą również wchodzić obrabiarki konwencjonalne, obsługiwane przez operatorów, w szczególności do wykonywania rzadziej przeprowadzanych operacji, których nie opłaca się automatyzować. EGW obsługiwane jest przez zespół odpowiednio wyszkolonych pracowników; przy czym nie stosuje się sztywnego podziału zadań między poszczególne osoby. Regułą jest, że każdy powinien być w stanie wykonać dowolne zadanie związane z pracą gniazda. Jest to jednym z warunków elastyczności. Osiąga się tą drogą zmniejszenie kosztów ogólnych, skrócenie czasu podejmowania decyzji. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość rezygnacji ze szczegółowego planowania przebiegu realizacji zlecenia. Wadą EGW jest często niepełne wykorzystanie obrabiarek wchodzących w jego skład. 

Rys. 4. Organizacja elastycznego gniazda wytwórczego 

Koncepcją elastycznego wytwarzania o najwyższym stopniu automatyzacji jest elastyczny system wytwórczy (ESW – rys. 5.). Stanowi go zgrupowanie wielu, wysoko zautomatyzowanych obrabiarek, które – pracując niezależnie od siebie –realizują, w miarę możliwości kompletną,obróbkę takich samych lub podobnych przedmiotów. Obrabiarki są ze sobą połączone systemem transportowym. Cały system zarządzany jest zwykle nadrzędnym komputerem.

Rys. 5. System obróbkowy z regałowym, centralnym magazynem narzędzi obsługiwanym przez manipulator realizujący funkcje transportowe w systemie narzędziowym: 1 – centralny magazyn narzędzi ESW, 2 – robot samojezdny obsługujący magazyn i realizujący zadanie wymiany narzędzi, 3 – przystanowiskowy magazyn narzędzi, 4 – sterowanie transportem w systemie narzędziowym, 5 – urządzenie do ustawiania narzędzi, 6 – stanowisko zdawania i wydawania narzędzi, 7 – centrum obróbkowe, 8 – zmieniacz palet przedmiotowych, 9 – wózek do transportu palet, 10 – stanowisko odkładcze palet, 11 – sterowanie transportem w systemie przedmiotowym, 12 – stanowisko mocowania przedmiotów na paletach, 13 – centralne sterowanie ESW 

Dzięki temu możliwe jest:

  • w pełni zautomatyzowane wytwarzanie,
  • przeprowadzenie różnych operacji obróbki na przedmiotach należących do pewnej grupy,
  • obrabianie przedmiotów przy zmiennej wielkości serii,
  • unikanie przerw w produkcji wywołanych ingerencją operatora. Aby te możliwości w pełni wykorzystać, konieczny jest rozwinięty system nadzoru i diagnostyki.

Przemysłowa architektura wnętrz

W ESW możemy mieć do czynienia z różnym rozmieszczeniem obrabiarek i innych urządzeń wytwórczych. W zależności od stosowanych środków transportowych i rozmieszczeniu tras transportowych wyróżnia się trzy podstawowe struktury systemów (rys. 6.) – liniową, kołową (pierścieniową) i płaszczyznową (gniazdową).

Strukturę liniową (rys. 6 a) najczęściej stosuje się przy transporcie szynowym. Obrabiarki i inne urządzenia rozmieszczane są po obu stronach linii transportowej. Zaletami tej struktury są: zwarta budowa (dobre wykorzystanie powierzchni warsztatowej) i łatwość rozbudowy (przez przedłużenie linii transportowej). Wadą jest utrudniony dostęp do obrabiarek przy pracach obsługowo-konserwacyjnych oraz w wypadku konieczności usuwania skutków wystąpienia zakłóceń w pracy systemu. W strukturze kołowej (rys. 6 b) trasę transportową stanowi system przenośnikowy w postaci zamkniętego obwodu owalnego, kołowego lub prostokątnego. Stanowiska robocze rozmieszczone są na zewnątrz obwodu. Palety pozostają w ciągłym obiegu, aż do momentu ukończenia obróbki. Zwykle przez myjnię opuszczają obieg i wracają do stanowiska za-/wyładowczego. Zalety i wady tego rozmieszczenia są podobne, jak w przypadku struktury liniowej. Pozostaje jeszcze struktura płaszczyznowa (rys. 6 c), w której urządzenia wytwórcze rozmieszczone są swobodnie na przeznaczonej do tego powierzchni, w sposób uwarunkowany wymogami technologicznymi lub systemowymi. System transportowy, łączący poszczególne stanowiska robocze, stanowią wózki (najczęściej prowadzone indukcyjnie) lub roboty portalowe (w wypadku niewielkiej liczby maszyn i małej powierzchni obsługiwanej). Zalety to swobodny dostęp do poszczególnych stanowisk i dobre możliwości rozbudowy. Wady: duża zajmowana powierzchnia i często wydłużone drogi transportowe.

Rys. 6. Podstawowe struktury elastycznych systemów wytwórczych

Konieczne podsystemy

Cel wprowadzenia elastycznego systemu wytwórczego to ekonomicznie efektywne wytwarzanie różnych przedmiotów, w dowolnej kolejności i przy dowolnie zmiennej liczebności serii.

Aby to osiągnąć trzeba zadbać o:

  • odpowiedni zapas przedmiotów obrabianych i narzędzi,
  • zautomatyzowany transport przedmiotów obrabianych,
  • zautomatyzowane zaopatrywanie obrabiarek w narzędzia, łącznie z dostarczaniem danych dotyczących ich nastawy i stanu,
  • automatyczne uruchamianie odpowiednich programów obróbki,
  • automatyczne odprowadzanie wiórów,
  • automatyczne mycie przedmiotów, przyrządów mocujących i palet na obrabiarce lub w myjniach,
  • zautomatyzowaną kontrolę przedmiotów obrabianych (na obrabiarce lub na specjalnych stanowiskach),
  • nadrzędne systemy zarządzające w postaci komputera zarządzającego i/lub systemu DNC (w razie potrzeby),
  • scentralizowane systemy nadzoru i diagnostyki (stosownie do potrzeb).

Spełnienie tych wymagań odbywa się poprzez realizację określonych funkcji. Wszystkie funkcje, jakie są lub mogą być realizowane w elastycznym systemie wytwórczym, można zgrupować w trzech głównych podsystemach funkcjonalnych (rys. 7.), ściśle powiązanych między sobą i z otoczeniem. 

Rys. 7. Główne podsystemy funkcjonalne w elastycznym systemie wytwórczym. 

Narzędzia pod kontrolą

Obecnie ESW spotykane są najczęściej w obszarze obróbki ubytkowej. W takim przypadku system techniczny składa się z następujących głównych podsystemów: wytwarzania, narzędziowego i przedmiotowego oraz dodatkowych logistycznych podsystemów wspierających: energetycznego, obiegu cieczy technologicznych i odprowadzania wiórów (rys. 8.).

Rys. 8. Składowe podsystemy systemu technicznego ESW 

W skład podsystemu wytwarzania wchodzą urządzenia realizujące funkcję transformacji materiału wejściowego (lub półwyrobu) w gotowy przedmiot obrobiony. Są to więc różneg o rodzaju obrabiarki, najczęściej centra obróbkowe.

Z kolei główne zadanie podsystemu narzędziowego można sformułować następująco: w określonej chwili na obrabiarce winno znaleźć się narzędzie niezbędne do wykonania przewidzianego zabiegu obróbkowego, zaś w układzie sterowania tej obrabiarki winne znaleźć się odpowiednie dane dotyczące tego narzędzia. Na realizację zadania składa się szereg czynności, które muszą być wykonane i funkcji, które system musi spełniać. I tak należy:

  • wyznaczyć zapotrzebowanie systemu na narzędzia na określony czas jego pracy, tzn. określić jakie narzędzia są potrzebne i ile winno być narzędzi poszczególnych rodzajów;
  • przyporządkować każdemu narzędziu zestaw danych obejmujący, oprócz numeru narzędzia, dane dotyczące: rzeczywistej stereometrii ostrza, okresu trwałości, a także (w razie potrzeby) zalecanych wartości parametrów skrawania;
  • magazynować narzędzia w odpowiedniej liczbie, przy stanowisku pracy i w razie potrzeby wymieniać je w magazynie przystanowiskowym;
  • transportować narzędzia, w razie potrzeby w sposób zautomatyzowany, z magazynu centralnego do poszczególnych stanowisk roboczych;
  • zmieniać narzędzia odpowiednio szybko, w czasie trwania procesu obróbki, zgodnie z zaplanowanym przebiegiem tego procesu;
  • kontrolować w czasie pracy stan narzędzia i zapewnić odpowiednią reakcję systemu w wypadku wystąpienia nieprawidłowości.

Prawidłowa realizacja wymienionych czynności powinna znaleźć odbicie zarówno w konstrukcji i sterowaniu poszczególnych obrabiarek, rozwiązaniach zastosowanych w systemach transportu i magazynowania, jak również w organizacji całego ESW i jego zarządzaniu. Całość tych wszystkich zagadnień określana jest jako system zarządzania narzędziami (często stosuje się również nazwę gospodarka narzędziowa).

Analiza przedmiotu

W przypadku podsystemu przedmiotowego w centrum zainteresowania przy projektowaniu, konstruowaniu i eksploatacji elastycznych systemów wytwórczych znajdują się przedmioty obrabiane. Dotyczące ich zagadnienia dzielą się na dwie zasadnicze grupy związane z projektowaniem systemu oraz jego konstrukcją i eksploatacją. W pierwszym przypadku chodzi przede wszystkim o analizę spektrum przedmiotów obrabianych, z jakimi mamy do czynienia. W drugim o realizację optymalnego przepływu przedmiotów przez system wytwórczy. Główne zadanie, jakie stawiane jest przy takiej analizie, a zarazem zadanie, jakie stawiane jest przy przystępowaniu do planowania struktury systemu, polega na ustaleniu rodzaju i liczby środków wytwórczych niezbędnych do obróbki określonego spektrum przedmiotów obrabianych.

Z punktu widzenia konstrukcji i eksploatacji głównym zadaniem systemu przedmiotowego ESW jest zapewnienie niezakłóconego przepływu przedmiotów przez system. Chodzi o zapewnienie, by po ukończeniu przez obrabiarkę obróbki przedmiotu w jak najkrótszym czasie znalazł się na niej, zidentyfikowany przez system sterowania, następny przedmiot obrabiany. Powinien być zamocowany odpowiednio do operacji obróbkowych, jakie mają być na tej obrabiarce wykonane. Spełnienie tego zadania wiąże się z realizacją następujących funkcji: magazynowanie przedmiotów obrabianych, transport przedmiotów, zmiana przedmiotu na stanowisku roboczym, ustalanie i mocowanie przedmiotu na obrabiarce oraz identyfikacja przedmiotu i jego stanu.

W podobny sposób można bliżej charakteryzować pozostałe podsystemy systemu technicznego – informacyjny i obsługowy – co zrobię w drugiej części artykułu w kwietniowym wydaniu Control Engineering Polska. W tekście omówię również główne problemy projektowania i eksploatacji elastycznego wystemu wytwarzania.

ce

Artykuł pod redakcją prof. Józefa
Krzyżanowskiego z Wydziału Mechanicznego
(kierunek Zarządzanie i Inżynieria Produkcji)
Politechniki Wrocławskiej

Artykuły z cyklu Akademia Robotechu powstają w oparciu o wystąpienia podczas seminarium, które odbyło się na III Międzynarodowych Targach Produkcji i Technologii PROTECH’07. Począwszy od tego wydania dział na stałe wejdzie do spisu treści naszego pisma. W następnych artykułach poruszymy między innymi temat programowania sterowników PLC z użyciem języków wyższego rzędu oraz idei e-Factory w praktyce.

Kolejny Robotech odbędzie się we wrocławskiej Hali Ludowej – Hali Stulecia 19 i 20 listopada 2008 r.

  


 Trzy główne koncepcje produkcji:

A Wytwarzanie oparte na niezależnej pracy pojedynczych obrabiarek (i innych urządzeń wytwórczych) – bardzo duża elastyczność przy możliwości dużej różnorodności produkowanych wyrobów. Najmniej wydajny sposób produkcji. Ekonomicznie efektywny zakres stosowania to produkcja jednostkowa i w niewielkich partiach.

B Wytwarzanie zautomatyzowane elastycznie – stosunkowo duża elastyczność przy względnie dużej wydajności produkcji stosunkowo szerokiego spektrum wyrobów. Zakres stosowania to produkcja różnorodnych wyrobów w niewielkich i średnich seriach. Tendencje rynkowe sprzyjają poszerzaniu się tego zakresu produkcji.

C Wytwarzanie wysoko wydajne oparte na wykorzystaniu obrabiarek specjalnych (zadaniowych) oraz linii produkcyjnych – charakteryzuje je duża sztywność przy produkcji, w zasadzie, wyrobów jednego rodzaju. Przestawienie systemu na inny wyrób jest bardzo kosztowne i czasochłonne. Jest to najbardziej wydajny sposób organizacji produkcji. Efektywny zakres stosowania to produkcja wielkoseryjna i masowa.