Czym jest elastyczny system produkcyjny? Rodzaje, cechy i struktura

Tradycyjna automatyzacja przeznaczona do produkcji wielkoseryjnej jest sztywna. Zapewnia doskonałą wydajność w przypadku kilku stałych produktów, ale nie jest w stanie skutecznie reagować na małe partie i dużą różnorodność produktów. Aby sprostać tej potrzebie, opracowano elastyczne zautomatyzowane urządzenia i systemy produkcyjne.

Elastyczne urządzenia produkcyjne

Podstawowe wyposażenie elastycznego systemu produkcyjnego obejmuje obrabiarki typu CNC, roboty, pojazdy z automatycznym naprowadzaniem oraz zautomatyzowane systemy magazynowe.

Maszyna typu CNC jest sterowana przez komputer lub dedykowany sterownik elektroniczny. Sekwencja obróbki, parametry procesu oraz ruchy maszyny są zakodowane w programie sterowania numerycznego i wprowadzane do maszyny CNC, która automatycznie kieruje jej pracą. Często dodaje się pętlę sprzężenia zwrotnego położenia, aby utworzyć układ zamkniętej pętli i poprawić dokładność. Skuteczni użytkownicy nadal muszą posiadać umiejętności w zakresie planowania procesu, doboru parametrów skrawania, prawidłowego doboru oprzyrządowania i osprzętu mocującego, pomiaru narzędzi, znajomości maszyny oraz programowania.

1. Klasyfikacja według procesu

1. Maszyny typu CNC ogólnego przeznaczenia. Tokarki typu CNC, frezarki, wytaczarki, wiertarki, szlifierki, frezarki do kół zębatych oraz frezarki obwodowe do kół zębatych wykonują te same podstawowe operacje co ich konwencjonalne odpowiedniki, ale automatycznie wytwarzają skomplikowane kształty.
2. Centra obróbcze z automatyczną wymianą narzędzi. Centrum obróbcze jest wyposażone w magazyn mieszczący około 10–100 narzędzi oraz automatyczny system wymiany narzędzi. Po jednokrotnym ustawieniu może automatycznie frezować lub toczyć, wiercić otwory i rozwiercać obrabiany element.
3. Wielosiowe maszyny typu CNC. Maszyny te sterują większą liczbą osi, zazwyczaj od trzech do pięciu.

2. Klasyfikacja według ścieżki narzędzia

1. Sterowanie punkt-punkt. Sterownik przemieszcza się precyzyjnie z jednej pozycji do drugiej, nie zatrzymując się w trakcie ruchu. Typowymi przykładami są wiertarki współrzędnościowe oraz wiertarki typu CNC.
2. Sterowanie liniowe typu punkt-punkt. Sterownik zarządza zarówno położeniem punktu końcowego, jak i prostą ścieżką między punktami, zazwyczaj wzdłuż osi maszyny. Cięcie może odbywać się wzdłuż jednej osi współrzędnych, a ponadto dostępnych jest więcej funkcji pomocniczych.
3. Kontrola konturu. Sterowanie ścieżką ciągłą koordynuje ruch dwóch lub więcej osi oraz reguluje prędkość i położenie podczas całego cięcia, umożliwiając obróbkę skomplikowanych kształtów. Do typowych maszyn należą tokarki CNC, szlifierki, frezarki oraz centra obróbcze.

Centrum obróbcze do obróbki konturowej, takie jak model FHN100T, zazwyczaj składa się z jednostek ruchowych w osiach X, Y i Z, stołu obrotowego do obróbki wielopłaszczyznowej, automatycznego zmieniacza narzędzi (ATC) oraz sterownika CNC.

System sterowania wykorzystuje sterowanie sekwencyjne w połączeniu z funkcjami wykrywania dotykowego, zarządzania i adaptacji. Kody T służą do wyboru narzędzi, kody S do ustawiania prędkości wrzeciona, a stół obrotowy zapewnia indeksowanie.

Funkcje czujników dotykowych umożliwiają automatyczne wycentrowanie narzędzia względem punktu odniesienia wrzeciona, wykrycie złamania narzędzia i zatrzymanie maszyny, skrócenie czasu pracy na pustym biegu poprzez przesuwanie z podwójną prędkością posuwu skrawania aż do momentu zetknięcia się z materiałem, korektę płaszczyzn odniesienia X/Y/Z w celu skompensowania zmian termicznych i różnic w wymiarach obrabianego elementu, a także pomiar średnicy otworu, dzięki czemu system może automatycznie dostosować narzędzie.

Funkcje zarządzania porównują zakładaną żywotność narzędzia z rzeczywistym zużyciem, automatycznie zastępują je narzędziem rezerwowym oraz monitorują dane eksploatacyjne w celu diagnozowania usterek.

Sterowanie adaptacyjne (AC) wykorzystuje czujniki zamontowane na silnikach osi posuwu i wrzeciona do monitorowania obciążenia. Obciążenie mieszczące się w ustalonym zakresie jest prawidłowe. Jeśli spadnie poniżej tego zakresu, posuw może zostać zwiększony w celu skrócenia czasu cyklu; jeśli wzrośnie powyżej tego zakresu, posuw zostanie zmniejszony w celu ochrony narzędzia.

Elastyczne systemy produkcyjne: cechy, rodzaje i struktura

Elastyczny system produkcyjny (FMS) łączy w sobie system sterowania i zarządzania informacjami, magazynowanie i transport materiałów oraz grupę maszyn typu CNC. W oparciu o technologię grupową określa on procesy dla rodziny elementów, dobiera odpowiednie maszyny i rozwiązania logistyczne oraz wykorzystuje sterowanie komputerowe do wydajnej produkcji różnych części w partiach, dostosowując asortyment produktów do zmieniającego się popytu.

Cechy i zakres zastosowań

System FMS zazwyczaj składa się z kilku maszyn typu CNC oraz centrów obróbczych, a także obejmuje automatyczne załadunki i rozładunki, magazynowanie oraz transport materiałów pod scentralizowanym sterowaniem komputerowym. W porównaniu ze sztywną automatyzacją zapewnia on:

• Duża elastyczność w przypadku powiązanych części o różnych wymaganiach technologicznych.
• Wysoki stopień automatyzacji, w tym praca bezobsługowa.
• Wysoki stopień wykorzystania sprzętu dzięki skróceniu czasu przezbrajania i innych czynności pomocniczych.
• Wysoka wydajność.
• Niższe bezpośrednie koszty pracy i lepszy zwrot ekonomiczny.

System FMS może obsługiwać zarówno produkcję jednostkową i małoseryjną, jak i produkcję mieszaną o średniej i dużej wielkości partii, łącząc w sobie elastyczność, jakość i wydajność.

Rodzaje systemów FMS

1. Elastyczna komórka produkcyjna (FMC). Sterowana komputerowo maszyna typu CNC lub centrum obróbcze jest połączona z okrągłym lub owalnym przenośnikiem paletowym albo robotem przemysłowym. Umożliwia ona wymianę elementów bez zatrzymywania pracy i stanowi podstawową jednostkę większego systemu FMS.
2. Elastyczny system produkcyjny. Dwie lub więcej maszyn typu CNC, centrów obróbczych lub komórek produkcyjnych jest połączonych za pomocą pojazdów szynowych lub autonomicznych pojazdów albo robotów, z automatycznym załadunkiem palet lub robotami, zautomatyzowanym magazynowaniem oraz zintegrowanym komputerowym planowaniem, harmonogramowaniem i monitorowaniem.
3. Elastyczna linia produkcyjna. Kilka centrów obróbczych lub maszyn typu CNC, z których część jest częściowo wyspecjalizowana, rozmieszczonych jest zgodnie z kolejnością procesów. Linia może mieć ustalony takt produkcyjny, ale można ją szybko dostosować do zmian asortymentowych i zachowuje ona funkcjonalność systemu FMS.

Budowa i sterowanie systemem

System FMS obejmuje systemy logistyczne i informatyczne, z których każdy składa się z kilku podsystemów. Jego głównym wyposażeniem produkcyjnym jest zazwyczaj od dwóch do sześciu pionowych lub poziomych centrów frezowo-wiertniczych oraz centrów tokarskich. Przenośniki, pojazdy prowadzone lub autonomiczne oraz roboty przemysłowe mogą tworzyć systemy transportowe o układzie liniowym, pętlowym lub sieciowym. Do magazynowania można wykorzystać zautomatyzowany magazyn wysokoregałowy z suwnicą regałową lub magazyn podłogowy ze stacjami paletowymi.

Paleta pełni funkcję przenośnego uchwytu. Przenosi ona uchwyt z częścią oraz samą część jako jedną całość, jest przemieszczana przez system transportowy, a następnie automatycznie ustawiana i mocowana na stole maszyny. Stacje paletowe mogą również służyć do tymczasowego przechowywania i buforowania. W oddzielnych magazynach można przechowywać półfabrykaty, gotowe części, narzędzia i uchwyty. W razie potrzeby można uwzględnić stacje czyszczenia, gratowania, pomiaru i kontroli.

System sterowania łączy kilka komputerów i sterowników urządzeń za pośrednictwem sieci w architekturze hierarchicznej. Jego działanie obejmuje cztery obszary:

1. Planowanie procesu. Określaj procesy na podstawie wymagań dotyczących produktu i dynamicznie dostosowuj je do zmian w harmonogramie.
2. Planowanie i harmonogramowanie produkcji. Należy dbać o zrównoważoną produkcję i wysokie wykorzystanie sprzętu.
3. Sterowanie stanowiskiem roboczym i sprzętem. Koordynować pracę obrabiarek, systemów transportu i magazynowania materiałów, maszyn pomiarowych, urządzeń czyszczących, robotów oraz innych urządzeń.
4. Monitorowanie stanu i zapewnienie jakości. Należy monitorować i kontrolować system, tak aby działał bezpiecznie, niezawodnie, prawidłowo oraz zapewniał stałą jakość.