Tootmise automatiseerimine

Tootmise automatiseerimine VALMISTUSSÜSTEEMID ETTEVÕTTES Automatiseeritud valmistussüsteemi osad

Automatiseerimiseelne periood • Automatiseerimiseelsel ajastul tegi inimene ise kõik valmistamisega seotu • Ise mõtles, ise juhtis käsitööriistu ja teostas toote otsese (füüsilise) valmistamise • Toote valmistussüsteem koosnes seega kahest osast: • inimesest ja • valmistusseadmetest (tööriistadest)

Tootmise automatiseerimisel kaob inimese ja toote valmistamisprotsessi vaheline vahetu seos • Automatiseerimisel lisatakse inimese ja valmistamisprotsessi teostavate seadmete vahele põhimõtteliselt uus, kolmas funktsionaalne seadmegrupp – automaatjuhtimisseadmed

Automatiseeritud valmistussüsteem • Automatiseeritud valmistussüsteem koosneb kolmest osast • inimesest, • automaatseadmetest valmistamise tehnoloogilise protsessi juhtimiseks (juhtimisseadmed) • toote otsese (füüsilise) valmistamise seadmetest

Automatiseeritud tervik koosneb kolmest suurest osast : • mõtteline osa, • mudel ja • tegelik valmistusseade (automatiseeritav)

Automaatjuhtimisseadmete ja valmistamise füüsiliste seadmete funktsioneerimist mõjutab inimene • Automatiseeritud valmistusseadmetes realiseeritakse inimese kui toote valmistaja mõtted juhtimissüsteemi vahendusel • Valmistamisel kandub inimese peas olev kompleksne sisuline väärtus (toote idee) üle valmistatavale asjale

Toote valmistustehnoloogia • Toote valmistustehnoloogia mõtleb välja inimene ja valmistustehnoloogiate keerukus aina kasvab • Toode ise muutub keerukamaks • Tootmise energiaefektiivsuse tõstmise vajadus • Keskkonna säästmise vajadus, jätkusuutlikkus • Juhtimise aluseks olev infotehnoloogia areneb tänapäeval kiiresti • Hajussüsteemide areng • Kasutajaliideste areng

Toote automatiseeritud valmistussüsteemi loomise käigus integreerivad arendajad info-, energia- ja (füüsilise) valmistustehnoloogia • Loomise käigus: • toote valmistamise protsess, mis vajab toimumiseks materjali - mehhaniseeritakse • Toote valmistamise protsess, mis vajab energiat -elektrifitseeritakse. • reaalseks tulemuseks on ajamitega varustatud füüsiline töömasin • valmistamise juhtimise protsessid (andmehõive, -edastamine, säilitamine ja -töötlemine)viiakse inimeselt üle masinale (automaatjuhtimissüsteemile) • reaalseks tulemuseks on tehnoloogilise protsessi automatiseeritud juhtimisseadmed

Automatiseeritud valmistussüsteemi loomise käigus integreerivad insenerid infoseadmed ja füüsilise valmistusseadmed kokku • Seejuures: • osa toote valmistamise juhtimise protsessist jäetakse edasi inimese kanda. • Inimene teostab (oma mõttelisi funktsioone) inimene-masin kasutajaliidese kaudu • Töömasin ja juhtimisseadmed integreeritakse protsessiliidese abil, • milles kasutatakse andureid ja täiturmehhanisme • Juhtimisfunktsioonide hajutamise juhul kasutatakse infoedastuse tagamiseks andmesidekanaleid

Automatiseeritud valmistussüsteemi struktuur

Tootmise automatiseerimine • Tootmise automatiseerimine on eluline arendusprogramm, mille projektide insenerid loovad ja ehitavad üles valmistusseadmed üheks toimivaks rakenduseks, milles toote valmistusprotsesside ülesannetes kasutatava materjali, energia ja informatsiooni töötlemine (muundumised) ning logistiline edastustegevus toimub ilma inimese vahetu osavõtuta.

Täiturmehhanism (ajam) • Täitur on juhitav mehhaaniline seade toote valmistustöö teostamiseks. • Täituris toimub rakendusevälise allika elektrilise, hüdraulilise või pneumaatilise energia muundamine ja edastamine valmistustöömasina mehhaanilise liikumise energiaks (füüsiliseks tööks) • Elektriajam on ka täitur • Töömasina mehhaanilise liikumise teostamiseks vajaliku täituri termodünaamiline efektiivsus

Automatiseerimise tulemusena • Tekib uus suurem tervikmilles on liidetud valmistusseadmed, arvutitel põhinevad juhtimisseadmed ja inimene • Inimese koht toote valmistusprotsessis muutub • Liitmise käigus peab uues süsteemis avalduma nn leiutise- ehk korrutiseefekt • Automatiseeritud tervikus jaotuvad valmistusprotsessi juhtimisülesanded parimal viisil • Iga osa süsteemis tegeleb sellega, mis talle kõige paremini sobib • Integreerimiseks vajatakse võimekaid insenere, kes suudavad lisada tekkivale süsteemile uut väärtust, potentsiaali

Valmistussüsteemide klassifitseerimine • Valmistussüsteemide üksteisest eristamise aluseks on: • kirjeldamisel kasutatavate tehnoloogilise protsessi funktsiooniplokkide topoloogiline skeem • teostamisel kasutatavate füüsiliste seadmete topoloogiline skeem • Kuigi tehased on oma füüsiliselt lahenduselt väga erinevad, on selgelt tuntavad viis valmistussüsteemi põhitüüpi

Valmistussüsteemi põhitüüp Näited Toode või teenus on mõeldud lõpptarbijale (Toode on tinglikult öeldes letil, Olukord: Võta või jäta) Tooted, mis on mõeldud teistele ettevõttetele või klientidele (Klient vajab veel tehnilist tuge ja kaasnevaid, toetavaid teenuseid müüjlt) Töökoda Autode parandus Kodutehnika remont, Toitlustamine restoranis Teater, etenduse külastamine Tavalise masinatehase metalltooted Luksepatöökoda Juveelitöökoda Paindtootmise süsteem (FMS) Vooltootmine konveierliinidel Autopesula Hotelli registratuur Söökla, lõunate pakkumine Mobiiltelefonide valmistamine (Elcoteq) Autode montaaž konveieril Kondiitritsehhi ahjus küpsetatud tooted Omavahel nõrgalt seotud töötoad ja valmistusmoodulid Supermarket, palju erinevaid poode üheskoos Selvepesula – pesemine, kuivatamine, triikimine Ehitusdetailide komplektid tehasest Masinaosade komplektid Tehnoparki koondatud väikesed kõrgtehnoloogiaettevõtted Projektikohane ehitus või looming ühes montaažihallis Rokikontsert staadionil Saate tegemine telestuudios, Sünnipäeva tähistamine Sillaehitus, majaehitus, Veduriehitus Laevatehas, kaubalaevade ja purjekate ehitamine Pidevprotsess Elektrijaam Veepuhastusjaam Naftatöötlemise tehases bensiini tootmine Keemiatehas Valmistussüsteemide põhitüübid ja näited

Valmistussüsteemide liigitamine • Kõige üldisemalt võib valmistussüsteeme liigitada tehnoloogilise protsessi pidevuse seisukohalt • Tükivalmistamise ja • Portsjonvalmistamine • on pidev- ja tükivalmistamise vahepealne liigitus • Portsjonvalmistamine erineb tükivalmistamisest eelkõige selle poolest, et protsessi algul käivitatakse ühe suuremahulise toote valmistamine, aga protsessi lõppetapis minnakse üle tükitoodete valmistamisele (portsjonite järjestikusele tegemisele) • Pidevvalmistamise süsteemideks(USA standard ISA88)

Tükivalmistamise klassikalised vormid • Töökoda • Vooltootmineja • Projektikohane montaažihall • Tükivalmistamise ehk diskreetse valmistamise uus tüüpvorm on: • lahjalt automatiseeritud valmistussüsteem, • võimaldab valmistada tooteid automatiseeritult ja samas vajadusel ka ühekaupa

Tükitootmise (diskreetse valmistamise) omapära • seisneb selles, et • kui juba mingi toote tegemine käivitatakse, siis viiakse see järjekindlalt ka lõpuni (Töö viiakse lõpuni) • Valmistamistööd ei jäeta pooleli • Töö koosneb reast tehnoloogilistest operatsioonidest • Näiteks võib tuua trükiplaadi valmistamise, kus algul toimub ühendusradade söövitamine plaadile, seejärel detailide ladumine plaadile ja lõpuks nende kinnijootmine • Pärast detailide ladumist plaadile pole mõtet tööd pooleli jätta, kuna sellise pooliku plaadiga pole kellelgi midagi peale hakata(varsti on see ka oksüdeerunud)

Pakkvalmistamisel • Teatud hulga (ühesuguste) tükitoodete valmistamist alustatakse ühekorraga • Valmistamisprotsessi lõppjärgus tehakse tooted valmis üksteise järel • Näiteks võib tuua detailide juurdelõikuse õmblusvabrikus • Ühe lekaali järgi lõigatakse korraga sadu ühesuguseid rõivadetaile • Hiljem kasutatakse õmblustsehhisneid rõivadetaile ühekaupa

Portsjonvalmistamisel • Toodete summaarne kogus on piiratud protsessiseadmete mahuga • Valmistamist alustatakse ühekorraga • Valmistamise käigus jagatakse valmivad tooted teatud arvuks ühesuguse või erineva suurusega portsjoniteks • Näiteks võib tuua • õllepruulimise vaadis ja villimise pudelitesse • Juustutootmine • Tablettide tootmine ravimitööstuses

Pidevvalmistamine • Valmistusprotsess on pidev • Omapära seisneb võimaluses saada pidevaltlõpptoodangut • Valmistamise pidevuse tagamiseks on valmistusettevõttes vaja luua toormevarud • Lõpptoodangule leidub pidevalt tarbijaid

Pidevprotsesside ja tükitoodete automatiseerimistehnika arengusuunad

Pidevate ja diskreetsete protsesside suhteline maht (jaotus) erinevates tööstusharudesvertikaalne liigitus Pidevuse telg

Töökojad • Töökoja omapära tuleneb valmistusseadmete paigutusest ja funktsioonide täitmise vormist • Töökojas valmistatakse mitmesuguseid tooteid väikeste partiide kaupa • Tavaliselt on ühe partii suurus 50–200 tk • Partiid korduvad teatud ajavahemike tagant • Suuremaid partiisid valmistatakse regulaarsete klientide jaoks • Mõnikord võidakse korraga valmistada ka ainult ühte liiki tooteid

Töökojas valmistatakse • tooteid tavaliselt klientide eritellimuste põhjal • Siiski valmistavad paljud töökojad ka laotooteid eriti oma püsiklientide jaoks • See võimaldab vähendada töömasinate ümberhäälestamise aega • Kuna töökojas valmistatakse suhteliselt laia nomenklatuuriga tooteid, siis kasutatakse tsehhides palju üldotstarbelisi tööpinke

Töökoja tsehhitöölised • Tsehhitöölistel peab olema kõrge kvalifikatsioon ja suured töökogemused, kuna nende juhitavad valmistamisprotsessid on tihti ebastandardsed, mis nõuab töölistelt valmistusmetoodika üksikasjalikku tundmist • Tihti kasutavad töötajad valmistamisel eritööriistu ja ühekordseid rakiseid • Ebastandardsete toodete kvaliteedikontroll on mahukas ja aegavõttev ning seetõttu võib aeg-ajalt esineda toodetes defekte, • Töökoja tsehhides on tootedefekte lihtne parandada

Töökodades • Töökodades tehakse tihti ka ainukordseid üksikseadmeid, erilisi detaile, tööriistu ja rakiseid • Tootmiseks vajalikud masinad rühmitatakse ja paigutatakse töökojas valmistamisprotsessi üldiste tüüpide kaupa • treipingid asuvad ühes tsehhis • freespingid teises • survevalumasinad kolmandas • metallisaagimine neljandas • luksepad viiendas ruumis jne

Töökojas • Kuna detailide valmistamine nõuab mitut erinevat operatsiooni ehk tegevust • siis transporditakse pooltooteid eri osakondade vahel(konteinerites) • Kui valmistatakse mitu samasugust toodet • siis transporditakse kogu partii korraga • veoks paigutatakse tooted konteinerisse • Üldotstarbelised konteinerid on mitme erineva, kuid tüüpilise suurusega • valmistamist juhitakse marsruudilehtedega, et määrata kindlaks tooteosade liikumine tsehhides ja seadmete vahel ning juhtida nende osade töötlemise järjekorda

Suuremaid tööstusseadmeid ja tarbekaupu tootvaid töökodasid kutsutakse ka tehasteks • Tehaste kasvamisel suurenevad valmistatavad partiid • Selline töökoda muutub raskesti juhitavaks ja valmistusajad kasvavad • Tavaliselt kulub detailide valmistamise koguajast ligi 95% töötlemise või transpordi ootamisele tsehhides • ja ainult 5% kulub otseselt töötlemisele pingis • Seega lisatakse tootele vajalikku väärtust aja kestel, mis moodustab kogu valmistamise ajast ainult 2–3% • Ootamise tõttu kasvavad pooleliolevate toodete mahud tsehhides

Paljud valmistamisteenuseid pakkuvad tööstusettevõtted on töökoja tüüpi

Vooltootmine (konveieri abil valmistamine) • Vooltootmistehas on selline tootmisüksus, mis on kohandatud ühetaoliste toodete pidevaks valmistamiseks • Vooltootmisel tundub, nagu voolaksid komponendid ja materjalid läbi valmistamistehase, moodustades selle lõpus terviktoote • Henri Fordi tehas • Küpsiste valmistamine

Vooltootmine (konveieri abil valmistamine)(2) • Vooltootmissüsteemi loomiseks kasutatakse kalleid, spetsialiseeritud seadmekooslusi, mis on mõeldud tavaliselt ühte liiki toodete valmistamiseks pika ajavahemiku jooksul • Sellise protsessi juhtimise kõik tehnoloogilised oskused on viidud inimeselt automaatmasinatesse • Otsestelt töötajatelt ei nõuta üldiselt kõrget erialast haridustaset • Vooltootmine on õigustatud siis, kui samasuguseid tooteid valmistatakse suures koguses

Vooltootmisettevõtte valmistussüsteemid sisaldavad tihti konveierliine • Masstootmiseks nimetatakse sellist toote valmistamisprotsessi, milles järjestikku ühendatud seadmeid läbib eriti intensiivne osade ja materjalide voog • Valmistusoperatsioone tehakse järjestikku • Töötlemise ja toodete koostamise moodulid järjestatakse toote valmistamisprotsessi loogilise skeemi kohaselt • Valmistamine toimub rütmiliselt kindlates tööpinkides ja valmistustsükli kestus liini kõigis seadmetes on ligilähedaselt ühesugune • Kui turul saadavate valmistusseadmete tootlikkus ei ole ühesugune või kui on vaja seadmeid dubleerida, siis võidakse liinile selles piirkonnas teha paralleelharusid

Muutuste võimalikkus vooltootmissüsteemis • Vooltootmise süsteemis valmistatava toote konstruktsiooni on muutusi teha raske või mõnikord isegi võimatu, kuna kasutatakse eriseadmeid(nende ehitus sõltub valmistusprotsessist) • Muudatusi saab mõnikord teha toote valmistusseadme funktsionaalsete moodulite väljavahetamise teel • Muudatuste käigus saab ajakohastada toote stiili ja üksikuid tehnilisi parameetreid • Otsitakse teisigi paindlikkuse tagamise võimalusi

Nüüdisaegsetes masstootmisseadmetes tagatakse paindlikkus järgmiste võtetega • Esiteks ehitatakse toote valmistusseadmed autonoomsetestmoodulitest, mis täidavad kindlat funktsiooni ehk ülesannet. Valmistusmoodulite liidesed konveieriga on suhteliselt paindlikud, mis kiirendab konkreetse toote valmistusliini koostamist • Teiseks, andmesidevõrku ühendatavate tööstuskontrollerite kasutamine iga seadmemooduli juhtimisel võimaldab muuta valmistusprotsessi juhtimise tunduvalt paindlikumaks. Igas kontrolleris on ühe seadme juhtimisprotsess

Nüüdisaegsetes masstootmisseadmetes tagatakse paindlikkus järgmiste võtetega(2) • Seadmete ümberpaigutamisel ruumis ei pea kontrolleri programme ümber laadima • Need programmid seotakse kokku spetsiaalselt andmesideks (kommunikatsiooniks) ettenähtud funktsiooniplokkidega • Tööstuskontrollereid sobib kasutada ka protsessi teenindavate (nt ühe vabadusastmega punktist punkti) seadmete juhtimisel • Valmistusmooduli kontrollerid annavad protsessist tagasisideinfot ja nendega saab seadmeid automatiseerida kuni A(4) tasemeni

Veel vooltootmise võimalusi • Vooltootmise kasutamisel saab paindlikke konveiereid siduda CNC-tööpinkidega, moodustades paindlikke valmistussüsteeme (FMS) • CNC-tööpingi ja peakonveieri vahele paigutatakse tavaliselt teenindav manipulaator • Lihtsamal juhul kasutatakse tõukurit ja keerulisematel juhtudel tööstusrobotit või robotkäru

Arvjuhtimisega tööpingi juhtimisprogrammi loonine

Vooltootmistehase konveieri ja valmistusseadmete skemaatiline paigutus

Nüüdisaja tehased • Paljud tehased on nüüdiasajal oma tootmisskeemi ülesehituse tüübilt nii-öelda hübriidid töökojast ja vooltootmisest. • Valmistusseadmetes koostatakse ja konveierliinil edastatakse seejuures eelkõige valmistatava toote mooduleid ja lõpptooteid. • Selliste tehaste konveierliinide juures töötab suhteliselt palju töölisi

Projektipõhine valmistamine • Nüüdisajal ehitatakse sellisel viisil lennukeid, laevu, suuri ekskavaatoreid, hooneid ja teisi rajatisi • Projektikohase valmistussüsteemi (Project shop) loomist põhjustab tüüpiliselt valmistatava toote suur keerukus, maht või kaal • Toote valmistamisel tuuakse töökohale valmistusseadmed, materjalid, komplekteerivad osad, tööjõud jne • Osa ehitamisel vajalikke materjale ja koostusid valmistatakse eelnevalt eritehastes • Kui töö on valmis, siis viiakse vajalikud seadmed ja tööriistad ehituskohalt minema (näiteks: Hot rod)

Projektipõhine valmistamine • Sellise valmistamisviisi korral on valmistatavate toodete arv suhteliselt väike • Toote valmistamisele eelneb küllaltki pikk toote projekteerimise ja valmistamiseks vajalike juhtimistegevuste planeerimise aeg • Projektikohane valmistamine eeldab kogenudprojektijuhtide ja inseneride kaasamist

Pidevvalmistamine • Pidevvalmistamine toimub sellistes valmistussüsteemides, milles toode tõepoolest voolab või pidevalt liigub • Pidevprotsesside näitena võib tuua vedelike, gaaside, või paberi valmistamise • Elektri tootmisel kasutatakse Parsoni auruturbiini • Pidevprotsessid on efektiivsed protsessi teostamise seisukohalt vaadates, kuid samas kõige vähem paindlikud • Pidevvalmistamisel saab lõppseadmetest pidevalt valmistoodet

Toodete paindlik valmistamine tehasesPaindlikud valmistussüsteemid • Paindlikud valmistussüsteemid võimaldavad tootekomponente valmistada ühekaupa • Paindlikus valmistusmoodulis liigub korraga ühe töömasina juurest teise juurde ainult üks detail • Seejuures ei ole valmistussüsteemis tehtavate detailide koguhulk (koguarv) piiratud • Mida rohkem on valmistamiseks aega, seda rohkem tooteid jõutakse tellijale teha

Toodete paindlik valmistamine tehasesPaindlikud valmistussüsteemid • Töö planeerimisel varieeritakse nii toote tüüpidega kui ka tootmismahtudega • Süsteemi töömasinad teevad toote valmistamisel järjestikku ühe või mitu tehnoloogilist operatsiooni (samas masinas) • Kokku moodustavad need operatsioonid ühe töö • Sellest ka masina üldnimi – töömasin • Enne poolelioleva toote järgmisse töömasinasse sisestamist kontrollitakse eelnenud töö operatsioonide kvaliteeti

Tehase terviklik valmistussüsteem • koosneb tavaliselt mitmest üksikust valmistusseadme grupist • Valmistusseadmete iga grupi koosseisu valitakse töömasinaid ja muid seadmeid tehnoloogiliste funktsioonide ehk ülesannete järgi • Valmistusseadmetest moodustatud grupp on võimeline teostama kindla lõigu ulatuslikumast tehnoloogilisest protsessist • Ühte mõttelisse (autonoomsesse) gruppi kuuluvad seadmed paigutatakse lähestikku ja seotakse omavahel selliselt, et moodustuks U-kujuline või järjestikku seadmerida

Valmistussüsteem –valmistusmoodul - valmistusseade • Valmistussüsteem koostatakse eelnevalt ja seejärel teeb inimene selle abil tooteid • Süsteemist väiksemat seadmegruppi nimetatakse süsteemitasandilt alla vaadates valmistusmooduliks • Tehase terviklik valmistussüsteem koosneb mitmest valmistusmoodulist • Moodul koosneb seadmetest/komponentidest

Lahjalt automatiseeritud valmistusmoodulid • Lahjalt automatiseeritud valmistusmoodulid ei ole omavahel seotud ajas pideva füüsilise ühendusega ehk seosega (jäiga seose puudumine moodulite vahel) • Lahjas valmistussüsteemis on valmistus-moodulitevaheline sidekanal katkendliku iseloomuga • Valmistusmoodulite vahel on füüsiline ühenduskanal küll põhimõtteliselt olemas, kuid seda ei kasutata pidevalt • Selline moodulite lahtiühendamine tagab vajaliku paindlikkuse ja valmistamise kiiruse erinevate tootekomponentide tegemisel

Lahjasse süsteemi kuuluvate moodulite vahelise seose omapära • Lahja valmistussüsteemi moodulid on omavahel seotud pigem loogiliselt (näiteks lepinguliselt) kui füüsiliselt • Valmistussüsteemi U-kujulistes või järjestikustes moodulites valmistatakse tavaliselt mitut üksteisest erinevat tootekomponenti • Lahjas valmistusmoodulis võib iga järgnev toode eelmisest erineda

Lahjalt automatiseeritud valmistussüsteemi omapära • Tootekomponente valmistatakse tegelikult ainult nii palju, kui on vaja terviktoote koostamiseks • Valmistatud tootekomponente kasutatakse tehases suuremate tootekoostude või suurema terviktoote valmistamisel • Tehase peakonveierliinid on sageli ümberkonfigureeritavad ja paindlikud • Ka koostude montaažiliinid ehk lahjad koostemoodulid on häälestatavad erinevatele toodetele ja tootmismahtudele

Tootmise automatiseerimine