Автоматизация на спомагателните операции при металорежещи и металообработващи машини

• Наред с основните, в металообработката са необходими и множество спомагателни операции, от чието бързо и точно изпълнение до голяма степен зависят ресурсната и икономическа ефективност на цялото производство
  
  
• Смяната на обработващия инструмент, стружкоотвеждането, междуоперационният транспорт, зачистването и обезмасляването, зареждането, захващането, разтоварването и инспекцията на готовите детайли все по-често се подлагат на цялостна автоматизация и роботизация
  
  
• Динамиката и сложната производствена организация в модерните високотехнологични заводи на Индустрия 4.0 налагат строги изисквания към прецизността, повторяемостта и бързината при изпълнението на спомагателни операции

Съвременната металообработка включва комплексен набор от традиционни и иновативни методи и технологии, които се прилагат в разнообразни комбинации с цел постигане на оптимално качество, гъвкавост, прецизност и производителност. Наред с основните операции при механичните обработки (струговане, фрезоване, шлифоване, рязане и др.), термичните обработки (закаляване, отвръщане, темпериране и т. н.), както и всякакъв друг тип обработка на метала – лазерна, плазмена, електрохимична, електрическа и др., са необходими и множество спомагателни операции, от чието бързо и точно изпълнение до голяма степен зависят ресурсната и икономическа ефективност на цялото производство. Такива са смяната на металообработващите инструменти и управлението на инструменталните магазини, стружкоотвеждането, координатните измервания, междуоперационният транспорт, зачистването и обезмасляването, зареждането, захващането, разтоварването, инспекцията на готовите детайли и т. н. Тези операции все по-масово се подлагат на цялостна автоматизация и роботизация, тъй като динамиката и сложната производствена организация в модерните високотехнологични заводи на Индустрия 4.0 налагат строги изисквания към прецизността, повторяемостта и скоростта при изпълнението им.

Нива на автоматизация в металообработката

Автоматизацията на съвременната металообработка най-общо се осъществява на четири нива. Първото включва централното програмно управление на машината или обработващия център, което отговаря за прецизното изпълнение на основните функции и операции. Второто ниво е интегрирано в ЦПУ и обхваща т. нар. програмируемо машинно управление (Programmable Machine Control, PMC), като специален контролер се грижи за безпроблемната работа на периферното оборудване, машините за координатни измервания и др. Третото ниво се състои в средствата за автоматизация на спомагателните системи в машинната среда и всички допълнителни операции, които се извършват в нея – зареждане и разтоварване на детайлите, тяхното зачистване, полиране и обезмасляване и т. н. В четвъртото ниво са организирани останалите устройства и машини в линията, които могат да са свързани помежду си и с металорежещото оборудване и да се управляват централизирано с цел постигане на непрекъснат работен поток. Такива са измервателните прибори, монтажните автомати, транспортните линии, автоматизираните системи за съхранение и извличане (AS/RS) и др.

Второто ниво или т. нар. PMC управление е ключово за поддържане на кратки работни цикли и висока производителност в металообработката. Програмируемият логически контролер, интегриран в ЦПУ на машината или центъра, координира критични спомагателни операции като автоматизираната смяна на инструментите, доставката на смазочно-охлаждащи течности, стружкоотвеждането и др.

Целта на тази подорганизация е централното управление да се разтовари от изпълнението и мониторинга на допълнителните операции, а те да бъдат контролирани приоритетно на отделно ниво. Така значително се подобрява скоростта на работа, като за стартирането на дадена PLC програма на PMC модула са му необходими едва няколко наносекунди, а е възможно и едновременното изпълнение на две или три програми. Така времето за организация и реализация на спомагателните операции не удължава излишно цикъла на обработка.

На същото ниво обикновено се управляват още измервателните глави за измерване на заготовки и детайли, както и контактните и безконтактни лазерни датчици за измерване на инструменти. Част от периферния слой на автоматизация могат да бъдат и защитните врати, прегради и предпазни механизми, интегрирани в машината, чиято основна роля е да гарантират безопасността на персонала при обработка.

Автоматизирани системи за смяна на инструмента

Автоматизираните инструментални магазини и системи за смяна на инструментите (АСИ) имат фундаментална роля както по отношение качеството на обработвания детайл, дължината на работните цикли и производителността, така и във връзка с полезния живот на инструменталната екипировка и икономическата рентабилност на производството. Тези системи са ключови за постигането на цялостна автоматизация в металообработката. Благодарение на технологичния напредък в сегмента съвременните комплексни обработващи центри могат да изпълняват множество операции без нужда от трансфер на детайла на различни машини, което пести ценно време и значително оптимизира процеса.

Устройствата за АСИ традиционно се състоят от база, рамена с хващачи, магазини за инструментите, държачи и поддържащо рамо. Автоматизираната смяна е многократно по-бърза, прецизна и надеждна в сравнение с ръчната, като основно изискване към инструментите е да са лесни за центриране, захващане, затягане и освобождаване.

В зависимост от формата на магазините, съвременните системи за АСИ могат да бъдат от каруселен, кръгов или верижен тип, както и от тип чадър.

Целта на автоматизацията при тази дейност е да се минимизира времето, в което машината е в период на престой, както и значително да се разшири наборът от обработки, които могат да се извършват на една машина или център. Автоматизираното съхранение на голям брой инструменти също е значително удобство, тъй като не се налага служител да ги складира и организира.

Модерното металообработващо оборудване, проектирано специално по стандартите на Industry 4.0, разполага с множество интелигентни възможности що се отнася до управлението на инструменталната екипировка, включително специализиран софтуер за контрол и мониторинг, диагностика и превантивна поддръжка, базиран на алгоритми за изкуствен интелект и машинно обучение. Благодарение на тези технологии могат прецизно да бъдат проследявани статусът, натоварването и износването на инструмента, както и точно да се прогнозира оставащият му жизнен цикъл.

Роботизация на машинната среда

Следващото ниво на автоматизация при металорежещите машини обхваща външната за основната обработка среда. Тук намират изключително ефективно приложение индустриалните роботи, манипулатори и автоматизирани транспортни системи, които придвижват обработваните детайли и заготовки между отделните работни станции. Сред основните приложения са т. нар. машинно oбслужване (machine tending), при което робот замества оператора в изпълнение на различни спомагателни дейности, както и роботизираните клетки, комбиниращи роботи, манипулатори, металообработващи машини, шкафове за управление, транспортни механизми, системи за съхранение, интелигентни платформи за машинно зрение, серво двигатели и задвижвания и т. н. – в автономни производствени единици. Сред нарастващите по брой промишлени приложения в областта са и т. н. роботизирани острови (robotic islands) – групи от роботи и допълнително оборудване, ангажирани с основни и спомагателни монтажни операции, заваряване, боядисване, почистване, полиране и т. н.

Едни от най-големите предимства на роботизираните системи са тяхната гъвкавост, надеждност и прецизност, елиминиращи риска от забавяния, неточности и грешки. Освен за зареждане и отнемане на детайли на една металорежеща машина например, те могат да бъдат “натоварени” и с ключовата задача да извършват визуална инспекция на заготовките и готовите изделия наред с pick-and-place операциите по тяхното позициониране и преместване, без излишно да се губи време в разделяне на тези дейности на отделни работни станции.

За да осигури присъствието на хващач или манипулатор в дадена зона, предишното поколение средства за автоматизация би заложило на портални конструкции и сложна комбинация от линейни системи. Един модерен робот с антропоморфна топология обаче би могъл много по-лесно да започне движение от всяка пространствена позиция в работния му обхват. Роботизацията значително намалява времето, усилията и разходите за проектиране, инсталация и въвеждане в експлоатация на една производствена линия, както и за прецизно позициониране на металообработващите машини и спомагателните системи една спрямо друга. Програмирането на линията пък се извършва “в движение” и на място, най-често с помощта на обучителен терминал. Комуникацията с ЦПУ на обработващата машина или център се случва бързо и безпроблемно посредством полева шина. С няколко кабелни връзки и специализиран софтуерен пакет потребителят може лесно и самостоятелно да изгради, свърже и персонализира своята производствена линия, както и впоследствие да я разширява с допълнителни функционални модули и единици.

Роботизирано обслужване на металообработващи машини

Обслужването на металообработващо технологично оборудване (Machine tending) е изключително подходящо приложение за индустриалните роботи, като тук те изпълняват по-сложни и технологично напреднали функции в сравнение с конвенционалното манипулиране с материали и обекти (например pick-and-place операции). В допълнение към зареждането на изходния материал или заготовката в машината и отнемането на готовото изделие роботът е в непрекъсната комуникация с централното програмно управление. Той отговаря за множество спомагателни операции, като команда за инициирането им може да бъде подадена в реално време, по всяко време, от ЦПУ.

Роботизираното обслужване спомага за постигането на много по-висока скорост, надеждност, прецизност и повторяемост в сравнение с ръчното, извършвано от оператор. В допълнение значително се удължават периодите на непрекъсната работа на машината без нежелани прекъсвания или престои. Сериозна полза от роботизацията на тази група спомагателни операции е повишаването на безопасността и редуцирането на общия брой грешки и възникнали вследствие проблеми и неизправности. В резултат се съкращават времената на престой, минимизират се ресурсните загуби и драстично се повишава производителността. Дори при необходимост от регулярни прекъсвания за поддръжка на роботизираната система, общото полезно време отново е много по-дълго в сравнение с това при машините, обслужвани от човек оператор.

Сред останалите предимства от автоматизацията на това приложение са оптимизацията на оперативните разходи и значителният потенциал за икономия на пространство в цеха. Не на последно място, благодарение на възможностите за роботизирано обслужване на металорежещи и металообработващи машини квалифицираните кадри могат да бъдат освободени от изпълнението на тежки, повторяеми и опасни задачи и да бъдат пренасочени към по-отговорни стратегически длъжности.

Богатото разнообразие от дизайни при хващачите позволява на роботите да боравят с множество различни обекти, като един робот може да обслужва дори две и повече машини и да се адаптира бързо към промени в продуктовия асортимент. Роботизираното обслужване е подходящо за изпълнение на широка гама спомагателни операции на шлифовъчни, стругови и фрезови машини и центри, машини за леене на пластмаси под налягане, преси за щамповане, щанцоване и директно пресоване, оборудване за подрязване и коване, заваръчни апарати и т. н.

Допълнителни спомагателни операции

Техническият прогрес е непрекъснат процес, налагащ чести промени или тотални обновявания на концепцията в дизайна на индустриалните изделия. За да е възможна на практика такава гъвкавост традиционните, неподатливи на реинженеринг производствени линии се заменят от гъвкави модулни платформи, включващи автономни и многофункционални металообработващи машини, спомагателни системи и роботи, свързани помежду си посредством транспортни механизми, конвейери и елеватори, оборудвани с механични хващачи. За всяка машина е предвиден комплект резервни части, за да е възможно основната транспортна лента да се движи непрекъснато, като обслужването, поддръжката и смяната на инструменталната екипировка се извършва автоматизирано, без необходимост от спиране на конвейера.

Тези металорежещи машини разполагат с взаимносвързани възли, при които силовите агрегати и каретките са част от базовото оборудване, а на модулен принцип се подменят само монтажните приспособления, инструментите и дадени компоненти в зависимост от конструктивните характеристики на продукта.

При металообработващото оборудване с програмируемо управление цялостната автоматизация на обработващия цикъл се извършва без компромис с неговата гъвкавост и многофункционалност. Обработката на детайли с различна конфигурация обикновено изисква единствено смяна на програмата.

Комбинацията от програмируемо и динамично управление на основните и спомагателни операции в металорязането елиминира нуждата от пренастройка на машината вследствие на неправилен монтаж или износване, подобрява производителността и позволява много по-ефективно и пълноценно използване на моторното задвижване.

Наред с междуоперационния транспорт, други групи спомагателни операции в металообработващите цехове също подлежат на частична или цялостна автоматизация. Най-общо те са свързани с придвижването и боравенето с товари, материали, готови изделия, опаковъчни единици, палети или контейнери, като автоматичното им изпълнение позволява обработката на много повече задачи за единица време. Най-често в подобен тип системи се интегрират роботи, които доминират при резултатите в сравнение с хората вследствие на своят бързина, прецизност, гъвкавост и възможността да комбинират еднообразни и повторяеми задачи с комплексни приложения като визуална инспекция. Роботизацията е препоръчителна и с оглед на работната ергономия и безопасността. Фактор, значително разширяващ приложенията на автоматизираните транспортни системи и манипулатори, е опцията за лесната им интеграция в монтажни и производствени линии.

Монтажни машини и автомати

В контекста на спомагателните операции в металообработката и възможностите за тяхната цялостна автоматизация е важно да споменем и монтажните задачи, съпътстващи производството на всяко едно многокомпонентно индустриално изделие. Тяхното ефективно автоматизиране е сред най-сложните и належащи предизвикателства в съвременното машиностроене. В резултат се постигат не само значителни икономии на ресурси, но и отчетливи подобрения в надеждността на готовите машини, оборудване и инструменти. За разлика от ръчното сглобяване, при което качеството на асемблирания продукт пряко зависи от квалификацията и уменията на персонала, при автоматичното крайният продукт всеки път е еднакво качествен.

Важно е да отбележим обаче, че автоматизираният монтаж изисква доста по-висока степен на взаимозаменяемост на компонентите и възлите. От ключово значение е особеностите на съвременните монтажни машини, автомати и роботи да бъдат взети предвид още във фазата на проектиране на съответните изделия, оборудване и инструменти. За целта в дизайна се препоръчва обособяването на функционални единици или блокове, използват се печатни електрически вериги, постоянни връзки се формират на базата на компресия, студено заваряване или цементация, а болтовете и винтовите съединения биват заместени от разглобяеми връзки, които са по-удобни и технологично по-усъвършенствани. С цел постигане на оптимални резултати при асемблираните изделия по време на монтажните операции се прилага непрекъснат качествен контрол под формата на визуална инспекция със средствата на съвременното машинно зрение.

В категорията на автоматизираните монтажни машини попадат всички типове механично оборудване, използвани за съединяване на две или повече части от даден продукт посредством запресоване, завинтване, залепване, занитване, заваряване и др. В резултат може да бъде получено изцяло или полуготово изделие, което отговаря на предварително зададени изисквания по отношение на точността на размерите и функцията. Автоматизираното асемблиране не изисква ръчни операции, като сортиране, захващане, преместване, поставяне и т. н. За целта могат да бъдат използвани както специализирани машини и автомати, така и роботи, проектирани специално за такива приложения.

Автоматизираните монтажни машини обикновено се управляват чрез програмируем логически контрол. PLC контролерът получава множество различни сигнали и подава команди към отделните задвижващи системи и механизми. Машината разполага и с набор от сензори и допълнителни устройства, които осъществяват мониторинг на всяка задвижваща система, като поддържат последователностите от инструкции в зависимост от това дали всяка предишна е изпълнена.
Автоматизираното оборудване в сегмента традиционно разполага и с човеко-машинен интерфейс, който позволява визуализация на работния статус, води дневник на монтажните и някои допълнителни операции и превежда оператора през процеса по програмиране и конфигуриране на машината.