Tootmise automatiseerimine

1. Tootmise automatiseerimine Valmistusseadmete automatiseerimise tasemed Dotsent Elmo Pettai Elektriajamite ja jõuelektroonika instituut Tallinna Tehnikaülikool

2. Automa-tiseeri- miseastme number Funktsioon, mida inimese asemel teostab masin Näited ja seadmete omaduste kirjeldus A (0) Puudub(ingl None). Kõike teeb inimene Käsitsi käitatavad tööriistad sepistamiseks, voolimiseks, tõstmisks, nikerdamiseks, painutamiseks jne A (1) Energia(Energy). Inimese musklid asendatakse mehhaanilise ülekandega Välist mehhaanilist energiat kasutavad masinad, näiteks lihtne puurpink Automatiseerimisastmed {A(0) kuni A(9)} • Tabel: Automatiseerimise astmed

3. A (2) Osavus, väledus(Dexterity). Tööriista ettenihe Ühe suletud töötsükliga tööpink (etteandemehhanismiga juhtseade) A (3) Usinus, hoolsus(Diligence). Juhtimissüsteem kordab töötsüklit automaatselt. Tehnoloogiline protsess on tagasisideta Korduva töötsükliga, avatud juhtimiskontuuriga, nt kruvi ja nukkidega automaattreipink A (4) Hindamine ja iseseisva otsustamise võime(Judgement). Tööriista positsiooni tagasisideinfo protsessiseadmest juhtseadmesse Suletud juhtimiskontuur, arvjuhtimine, isemõõtmine ja isehäälestumine töös Automatiseerimisastmete {A(0) kuni A(9)} sisu

4. A (5) Mõõteväärtuste eesmärgipärane hindamine (Evaluation). Muutuvate oludega isekohanev juhtimine, deduktiivne analüüs, tagasiside protsessist juhtseadmesse Protsessi adaptiivne juhtimine arvutiga, juhtimistöö analüüsiks ja optimeerimiseks on vajalik tehnoloogilise protsessi matemaatiline mudel A (6) Iseõppimine eelnevast kogemusest (Learning) Piiratud iseprogrammeerumine, mõningane tehisintellekt, aluseks ekspertsüsteemid, andmebaasid A (7) Arukas, mõistlik (Reasoning). Analüüsib iseseisvalt seadmes avalduvaid nähtusi ja efekte ning seostab neid nende taga peituvate põhjustega Deduktsiooni ja induktsiooni seostamine, induktiivse põhjuslikkuse tundmine, arenenud tehisintellekti juurutamine seadme juhtimise tarkvaras Automatiseerimisastmete {A(0) kuni A(9)} sisu

5. A (8) Loomingulisus(Creativeness). Loomisvõimeline masin Masin loob inimese püstitatud eesmärgile vastavaid originaalseid lahendusi ja projekteerib seadmeid ning saavutab tulemusi ilma erilise kõrvalabita A (9) Üleolek (Dominance). Supermasin, mis valitseb ja käsutab teisi (masinaid ja inimesi) Masin on peremees (näiteks arvuti Hal ulmefilmist A Space Odyssey) Automatiseerimisastmete {A(0) kuni A(9)} sisu

6. Automatiseerimisastme A(0) korral • ei ole ükski inimese töö • ei mehhaniseeritud ega automatiseeritud • Selline aeg kestis tootmises kiviajast kuni rauaajastuni • Kõik tööd teeb inimene oma mõtte ja musklite jõu abil. • Tööks vajaliku energia saab inimene otse toidust • Rakendatav võimsus kantakse üle musklite abil P F Jõud, N Võimsus, W Energia Mehhaaniline töö t, sek s, meeter

7. Mehhaniseerimise algperiood • Mehhaniseerimine sai alguse mitu tuhat aastat tagasi vee tõstmisel ja veskites • Esimese industriaalrevolutsiooni ajal loodi puuvilla ketrus- ja kangakudumismasinad • Algas mehhaanilise energia lai kasutuselevõtt valmistusseadmetes • Teise industriaalrevolutsiooni ajal loodi terase mehhaanilise töötlemise masinad, mille abil sai toota laiatarbetooteid ja ka teisi tootmismasinaid • Selle perioodi alguseks võib pidada aastat 1775, mil inglane John Wilkinson arendas välja horisontaalpuurpingi, mille abil sai täpselt puurida suuri silindreid

8. John Wilkinson and • Boring machine -device for producing smooth and accurate holes in a workpiece by enlarging existing holes with a bore, which may bear a single cutting tip of steel, cemented carbide, or diamond or may be a small grinding wheel. • Single-point tools, gripped in a boring head attached to a rotating spindle, are moved circularly against the sides of the existing holes. The diameter of the hole swept out by the tool is controlled by adjustment of the boring head

9. Mehhaniseerimisseadmete areng • 1794. aastal leiutas Henry Maudsley klassikalise treipingi, mis on aluseks ka tänapäevastele treipinkide lahendustele • Esimene horisontaalne freespink loodi 1818. aastal Eli Whitney tellimusel • Joseph Witworth lõi alates 1830 metallitöö jaoks vajalikud täppismõõteriistad, näiteks kruvimikromeetri • Täpsed mõõtemeetodid on aluseks ja eeltingimuseks hilisemale samasuguste üksteist asendatavate detailide masstootmisele

10. Treipink • The lathe is one of the oldest and most important machine tools. • Wood lathes were in use in France as early as 1569. During the Industrial Revolution in England the machine was adapted for metal cutting. • The rotating horizontal spindle to which the workholding device is attached is usually power driven at speeds that can be varied. • On a speed lathe the cutting tool is supported on a tool rest and manipulated by hand. • On an engine lathe the tool is clamped onto a cross slide that is power driven on straight paths parallel or perpendicular to the work axis. • On a screwcutting lathe the motion of the cutting tool is accurately related to the rotation of the spindle by means of a lead screw that drives the carriage on which the cutting tool is mounted.

11. James Watt • Inglismaa söekaevandused vajasid veepumpasid • James Watt kasutas John Wilkinsoni loodud puurmasinat oma kuulsa aurumasina silindri treimiseks • James Watt ei olnud küll aurumasina leiutaja, kuid täiustatud ja väga tootliku aurumasina autor • Tema auks on saanud nime võimsuse mõõtühik vatt • 1775. aastal hakkas ta koos inglise ettevõtja Matthew Boultoniga aurumasinaid tootma

12. Watti aurumasin tõi pöörde Suurbritannia tööstusse • Terasetootjad kasutasid tema masinat suurte haamrite liikumapanemiseks • Tekstiilitööstuses kasutati aurumasinat uute Richard Arkwright leiutatud ketrusmasinate käigushoidmiseks • Söekaevandustes ei pidanud inimesed enam sütt kottidega maa peale tassima, sest selle töö tegi nüüd ära ajam, mille pani käima Watti aurumasin

13. Mikromeeter • Mikromeeter on üks miljondikmeetrist. • Mikromeetri tähis on μm.1 μm = 10–6m

14. Mikromeeter

15. Mehhaniseerimisseadmete areng • Automaatse ettenihkega puurpink loodi 1840. • Metallpindade lihvimismasinad loodi umbes aastal 1880. • Lõiketöötlemismasinate loomisetapi lõpetas lehtsaagide kasutuselevõtt metallilõikamisel. • Teiseindustriaalrevolutsiooni lõpuks olid leiutatud kõik põhilised metalli mehhaanilise töötlemise seadmetüübid

16. Automatiseerimise tase – kuidas saab seda mõõta? • Hinnangu andmiseks seadmete automatiseerimise tasemele esitas Amber&Amber 1962. aastal automatiseerimisastmete klassifikatsiooni, mis põhineb eeldusel, et valmistustöödeks on vaja energiat ja informatsiooni • Kui masin asendab töös (tehnoloogilise seadme juhtimisel) mõnd põhilistinimese funktsiooni, siis hinnatakse seda kui täiendavat automatiseerimise astet

17. A(1) • Automatiseerimise esimene asteA(1) saavutati siis, kui metallitööpinke hakkasid tehastes inimeste asemel käitama jõumasinad, näiteks aurumasinad või elektrimootorid • A(1) astmel annab inimene masinale üle tehnoloogilises protsessis vajalikud energeetilised funktsioonid • A(1) taseme juurutamiseks arendati välja tööstuslikud energiatootmise ja -ülekande mehhanismid • Algperioodil kasutati laialdaselt aurumasinaid, transmissioonivõlle ja rihmülekandeid

18. Käsitsijuhtimisega tööpingi ja arvjuhtimisega tööpingi erinevused • Käsitsijuhtimisega tööpingis peab operaator, pingitööline, • ise liigutama lõikeinstrumenti (reeglina käsiratta abil). Samuti peab ta määrama spindli pöörlemissageduse ja ettenihke ning vastavalt vajadusele vahetama lõikeinstrumenti. Tööline jälgib instrumendi asendit ja peab peatama instrumendi kui vajalik mõõde on saavutatud • Arvutijuhtimisega tööpingis on aga lõikeinstrumendi liikumine automatiseeritud. • Instrument liigub mööda juhtseadme etteantud trajektoori. Kogu töötlemiseks vajalik info on salvestatud juhtprogrammi. • Programmis on käsud instrumendi liikumise kohta ühest punktist teise, spindli pöörlemissagedused erinevate lõikeinstrumentide korral, lõikeinstrumendi vahetus, vajalik ettenihe jne. Vastavalt sellele programmile antakse signaalid edasi pingi täituritele, antud juhul mootoritele. Signaalid muundatakse ja võimendatakse reeglina pingi juhtkilbis

19. A(1) jätk • Elektrienergia tootmine ja ülekandeliinide laialdane kasutuselevõtt toimus 19. sajandi lõpus • Sellest ajast alates paigaldatakse mehhaanilise energia saamiseks vajalikud elektrimootorid vahetult tööpingi külge • Tänapäeval kasutatakse elektrienergia muundamisel mehhaanilise liikumise energiaks elektriajameid

20. Elektriajamid • Elektriajamite koosseisus on mikroprotsessoritel põhinevad juhtimisseadmed, jõuelektroonikamoodulid ja elektrimootorid, • mis üheskoos võimaldavad integreerida nii energia muundamise kui ka etteantud liikumise reguleerimise ülesanded • Elektriajam • teeb tööd(rakendab mehhaanilist väljundvõimsust ettenähtud aja jooksul) • liikumisülesanne saabub ajamisse etteandesõlme kaudu • konkreetne liikumisülesanne teostab osa tehnoloogilisest protsessist

21. Automatiseerimise astet A(1) iseloomustav plokkskeem Automatiseerimise astmel A(1) vabastatakse inimene raskest füüsilisesttööst Valmistamisprotsessid mehhaniseeritakse, juhtimine jääb inimesele

22. Automatiseerimise aste A(2) • on saavutatud siis, kui masinad on võimelised tegema iseseisvalt ühe töötsükli • Seejuures toimub detaili töötlemisel vajalik lõiketööriista ettenihe automaatselt • Automatiseerimistasemel A(2) annab inimene masinale üle tehnoloogilise protsessi otsese juhtimise funktsiooni.(ülesande täitmise) • Tööline paneb masinasse tooriku ja käivitab automaatse töötlemise tsükli. (käivitab ülesande) • Masin teeb kogu töö ja seiskub protsessi ülesande lõpus • Selliseid masinaid kasutatakse paljudes tehastes ka tänapäeval • Suurem osa frees-, trei- ja puurpinke on automatiseerimistasemel A(2)

23. Mehhaniseerimise mõiste ulatus • Mehhaniseerimine haarab esimesi automatiseerimistasemeid A(1) ja A(2), millele lisanduvad tavaliselt veel poolautomaatpingid, mis teevad järjest ka mitut töötlemistsüklit, • näiteks automaattreipingid, mis valmistavad massiliselt • polte ja mutreid või • lihtsamaid detaile

24. Automatiseerimise aste (A2) Automatiseerimistasemel A(2) vabastatakse inimene protsessi vahetust juhtimisest(inimese asemel on etteandeseade)

25. Automatiseerimise aste A(3) • on selline, mille korral masinad on võimelised iseseisvalt (automaatselt) teostama mitut töötlemistsüklit(mitu ülesannet) • Tehnoloogilist protsessi juhitakse otseselt seadme juhtimissüsteemi salvestatud programmiga • Programm salvestatakse juhtimissüsteemis • mehhaaniliselt (nukkidega varustatud nukkvõllile või perforeeritud lindile) või • elektrooniliselt (juhtarvuti magnetkettale või tööstuskontrolleri mällu) • Programmis järjestatakse teostatavad ülesanded loogiliselt • A(3) masinal on loogika teostuse toetuseks ressurss nimega ülesanded

26. Automatiseerimise aste A(3) Sellised töömasinad on avatud juhtimiskontuuriga, s.t toodet valmistavast masinast pole mingit tagasisidet juhtimisprogrammi

27. Automatiseerimisastmel (A3) Automatiseerimistasemel (A3) toimub ühe tehnoloogilise protsessi juhtimine automaatselt. Tagasiside valmistusseadmest juhtimissüsteemi programmi puudub • Järjekordse protsessi lõpus masin peatub • Automatiseerimisastme A(3), A(4), A(5) töömasinaid on tavaliselt äratuntavalt täiustatud ja arendatud võrreldes A(2) taseme masinatega • Tööpinkide automatiseerimisaste algab tänapäeval tavaliselt A(3)-st

28. Automatiseerimistasemel (A3) • A(3) tasemel on enamus tööstusroboteid ja arvjuhtimisega tööpinke (CNC), millel pole valmistamisprotsessist tagasisidet. • Sellises treipingis ei võeta valmistatavast võllist tagasisideinfot (ei mõõdeta metalli koostist) • (ülesanne ei muuda ennast töö käigus) • Tänapäeval liigitatakse masinaid veel • jäiga programmiga ja • paindliku programmiga masinateks

29. Jäiga ja paindliku programmiga masinad • Jäiga programmiga masinaid on raske ümberprogrammeerida, kuna otsustusloogikast on osa otseselt teostatud seadme konstruktsioonis, näiteks lõpplülitites, mehhaanilistes liugurites, juhikutes jne • Paindliku programmiga masinatel on tavaliselt juhtarvutiga kaasas käsijuhtimispult, mis võimaldab juhtimiskäske (ülesandeid) kergesti vahetada ja täpsustada

30. Automatiseerimise astmel A(4) • antakse inimeselt masinale üle otsese juhtimistegevuse operatiivseks korrigeerimiseks ja otseseks reguleerimiseks tehtavad mõõtmised ja otsustused • Juhtimistegevuse automaatne korrigeerimine ja reguleerimine on tingitud vajadusest maha suruda väliseid häireid, • mis mõjuvad juhtimisseadmetele või ka • tehnoloogilisele seadmele töö käigus

31. Automatiseerimise astmel A(4)

32. Automatiseerimise astmel A(4) • Juhtimisahel on suletud • Tagasisideahel tagab otseste(töö tegemiseks vajalike) juhtimisotsuste langetamiseks hädavajaliku info kogumise • Tagasiside on nõutav neljandal ja kõigil järgmistel kõrgematel automatiseerimise tasemetel ehk astmetel

33. Mida juhtimisahela sulgemisega saavutatakse? • Suletud otsustusahelaga juhtimissüsteemis toimub programmist saadud etteandesignaali ja protsessi anduritest saadud tagasisidesignaali sisestamine • tundlikku võrdlussõlme ja selle väljundist järgnevasse regulaatorisse • juhtimismõju automaatse muundamine täiturseadme töö täpsuseks • Võrdlussõlm ja regulaator koos moodustavad muunduri, mis tunneb ära kõrvalekalded etteantud protsessist. • Regulaatori tundlikkus muundub teostatava töö täpsuseks • Suletud juhtimiskontuuri tundlikud reguleerimisahelad suruvad maha teostatavale protsessile mõjuvate väliste häiringute toime isegi kümneid kordi: • Rakendatavas võimsuses esineb suuri muutusi • Töö tuleb täpsem (see on meile eriti oluline) • Protsess teostatakse täpselt

34. Hajutatud protsesside juhtimine põhineb sündmuste määramisel ja nende väärtuste edastamisel • Hajutatud süsteemi programmeerimisel välditakse juhtimissüsteemis globaalseid muutujaid • osadevahelised juhtimisseosed põhinevad sündmustel • Probleemide esinemisel tehakse uusi päringuid • Tsentraliseeritud süsteemide integreerimisel kasutatakse juhtimissüsteemis ka globaalseid muutujaid • loodetakse andmete kättesaadavusele ja • Andmete väärtused on usaldatavad

35. Tagasisideandurid • Tagasisideandurid võivad mõõta valmistatava toote tegelikku kiirust, ruumilist asendit, keha mõõtmeid, temperatuuri, kontsentratsiooni jne • Andurid paigutatakse tehnoloogilisse seadmesse ehk rakendusse • Andmeid mõõdetakse enne protsessi teostamist, • füüsilise protsessi kestel või protsessi väljundis • Andurist saadud mõõtetulemus (ehk tagasisidesignaal) edastatakse juhtimissüsteemis loogiliselt kõrgemale • toimingust tegevuse suunda • Tegevusest töö suunda, • Tööst ülesande suunda, • Ülesandest protsessi, siis lahendusse, siis programmi

36. Merit telgja teostuse mõiste ülesehitus (eri tasemega funktsiooniplokid)

37. Organization and architecture of the merit axis concept.Visualline of motion of a measurable application concept

38. Juhtimistegevus: võrdlemine • Etteantudjuhtimissignaali jooksev võrdlus tagasisidesignaaliga tehakse võrdlussõlmes • võrdlussõlmes tehakse lahutustehe • etteandesignaali väärtusest lahutatakse tagasisidesignaali väärtus • Tulemuseks saadakse juhtimissignaal • Protsessi teostamisel esineva tegeliku kõrvalekalde vähendamiseks kasutatakse juhtimiskanalis automaatregulaatorit, • millel on tavaliselt suur toimekiirus ja võimendustegur

39. A(4) kokkuvõte • Tehnoloogilise protsessi kõrge juhtimiskvaliteedi tagamiseks antakse automatiseerimistasemel A(4) inimeselt masinale üle • protsessi iga ülesande seisundi pidev mõõtmine ja eriti • töös püstitatud loogilise eesmärgi ningtegelikutegevuse võrdlemine (mis toimub hetkel võrdlussõlmes ja selle järel?) • Protsessis määratud sihile jõudmiseks vajalike juhtimisotsuste langetamine ja teostamine toimub regulaatoris • A(4) tasemel juhtimise tagavad seega järjestikku ühendatud võrdlussõlm ning regulaator

40. A(4) taseme tüüpilisi näiteid • Suletud kontuuriga juhtimisahelad on kasutusel • nüüdisaegsetes elektriajamites • Positsioonjuhtimine • Kiiruse juhtimine • Kiirenduse juhtimine • Parimates tagasisidega seadmetes tehakse tagasisideks vajalikud mõõtmised otse tehnoloogilisest protsessist (valmistuspunktist) • Selliseid seadmeid, kus tagasiside võetakse otse mehhaanilise töötlemise protsessist, nimetatakse ka mehhatroonilisteks seadmeteks

41. A(4) • Toodete töötlemise moodulid varustatakse tihti täiendavate automaatsete mõõte- või proovivõtmise seadmetega selleks, et teha kindlaks, • kas eelmine operatsioon oli edukas ja • kas toote võib lubada järgmisele operatsioonile. • Kui eelmine töötlemisoperatsioon oli defektne, võib see järgmisel operatsioonil põhjustada tööriista purunemise. • Tehtud töö kvaliteeti saab kontrollida automaatsetes koosteseadmetes kas või iga tehnol. operatsiooni järel • Esimene A(4) arvjuhtimisega tööpink loodi aastal 1952 . • Tööpingil oli tööriista asendi juhtimise ahelas tagasiside

42. Töötlemiskeskus • 1958. aastal loodi esimene masin • Töötlemiskeskus suudab teha palju üksteisest erinevaid töötlemisoperatsioone: freesida, puurida mitmekujulisi avasid jne • Seade võib järjestikku teostatavate operatsioonide keerukuse ja üldise ulatuse suurendamiseks automaatselt vahetada tööriistu • Töötlemiskeskuse kasutuses võib olla mitukümmend eri tüüpi tööriisata • Selliseid masinaid programmeeritakse ja juhitakse arvutitega • Suudab teha järjest mitu protsessi

43. Nüüdisaeg • Tänapäeval varustatakse mehhaanilise töötlemise masinatest ligi kolm neljandikku arvutitega • Nüüdisaegsete arvjuhtimisega tööpinkide (CNC) juhtimisseadmes on mitu protsessorit, ja piisavalt mälu • mällu võib programme sisestada nii arvutivõrgu kui ka lokaalse puldi abil. Arvuti säilitab mälus paljude üksteisest erinevate detailide töötlemise programmid

44. Paindtootmise süsteem (FMS) • Paindtootmise arendamine algas Inglismaal eelmise sajandi kuuekümnendatel aastatel(kõigepealt autotööstuse tarbeks) • Paindtootmissüsteemi abil saab teha suurema nomenklatuuriga tooteid kui konveierliiniga • Paindtootmissüsteemi tööpinkides saab valmistada üksteisest erinevaid detaile • Tooted läbivad töötlemisel masinaid vajadusel mitu korda ja mitut erinevat teed pidi. FMS on justkui üks täielikult arvutiseeritud töökoda

45. Paindtootmissüsteemis • on toodete töötlemisjärjekorda küllaltki raske hallata, kuna detailide töötlemisajad on erineva pikkusega. Paindtootmissüsteemid on küllaltki (suhteliselt) kallid ja nende majandusliku tasuvuse tagamiseks tuleb vajadusel optimeerida valmistatavate toodete nomenklatuuri.

46. Paindtootmissüsteemis • Paindtootmissüsteemis on keskmiselt • 2–10 erineva ehitusega masinat (tavaliselt 3 kuni 4). • Aastane tootmismaht on 3000–10 000 toodet ja • erinevate valmistatavate toodete arv on 2 kuni 20 • Valmistatavate toodete üks seeria on 20–100

47. Paindtootmissüsteemis • Toote töötlemise aeg ühes masinas on tavaliselt 6–90 minutit • Toote valmistamiseks on harilikult vaja teha • 30–40 operatsiooni • Paindtootmissüsteemi moodulid võimaldavad automatiseeritult valmistada tooteid • ruumilise mahuga kuni 1 m3 • kaaluga kuni 500 kg (autode käigukastid, mootorid, ventiilid jne)

48. Paindtootmissüsteemides • Paindtootmissüsteemides kasutatakse • toorikute kinnitamiseks tihti palette ja • Töödeldava toote veoks ühe tööpingi juurest teise juurde konveiereid ja robotkärusid • FMS-i valikul ja juurutamisel tuleb jälgida, et toorikute kinnitamiseks ja täpseks positsioneerimiseks vajalikud paletid põhjustavad toote valmistamiskulude kasvu(10–20%) • Palette laadivad toorikutega ja vabastavad valmistoodetest tsehhitöölised

49. FMS on supermasina klassikaline näide • Paindtöötlemissüsteemi mainaid teenindavad inimesed • laadivad palette toorikutega ja • vabastavad töödeldud detaile • Palettide laadimine toimub päevasel ajal • Paindtootmise seadmed võivad töötada ööpäev läbi (24h) • Võttes töötlemiseks eelnevalt lattu palettidele paigutatud toorikuid • Valmistooted edastatakse tagasi vahelattu

50. Probleemid üksikute valmistusseadmete liitmisel toimivaks süsteemiks • Eelmise sajandi seitsmekümnendate aastate teisel poolel saadi kogemuste põhjal aru, et • üksikud automatiseeritud tööpingid ja • üksikud robotid ei annaeraldikasutades loodetud majanduslikku tulu • Vähese majandusliku edu põhjus peitus erinevate seadmete omavahelise töö kooskõlastamiseks (ühistööks) kuluvate lisaressursside suures vajaduses