Akademie tváření: Automatizace a mechanizace v plošném tváření

Moderní strojírenský průmysl je charakteristický tendencí zvyšovat produkci výroby, se současným zvyšováním kvality vyráběných dílů a flexibility výroby samotné. To vše s sebou pochopitelně přináší neustále narůstající nároky na modernizaci technologických pracovišť, zejména pak zavádění mechanizačních a automatizačních prvků do výrobních procesů.

Od počátků činností lidstva byl člověk neustále vystavován tvrdé a vyčerpávající práci, kterou si snažil zjednodušit nástroji a stroji, jež pomáhaly v jeho činnosti nebo nahrazovaly jeho práci kompletně. První zprávy o mechanizaci se objevily v době faraonů v Egyptě (používání páry z ohřáté vody k otevírání velkých chrámových vrat). První významnější vynálezy v oblasti automatizace a mechanizace v období našeho letopočtu se objevily v polovině 14. století na samém počátku renesance. Patří mezi ně například buben s kolíčky (dodnes používaný kolíčkový program). Mezi významné osobnosti z hlediska automatizace patří i Leonardo da Vinci. Využívání vodní síly k pohonu strojů se objevuje již v polovině 14. století. Jiným příkladem z této doby je realizace myšlenky o řízení prostřednictvím po sobě přicházejících povelů. Jde o konstrukce zvukových hracích strojů, které byly ovládány pomocí otáčejících se válců opatřenými na povrchu ostny. Např. v roce 1808 Joseph M. Jacquard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje. Plechová děrná karta byla předchůdcem moderních výměnných nositelů programu. Od počátku 20. století se objevují ve strojírenské výrobě vysoce automatizované stroje vykonávající v řadě fází různorodé operace a založené na nejrůznějších principech.

Mechanizace znamená nahrazení práce lidských svalů stroji. V případě výrobního procesu pod tímto pojmem rozumíme využití všech nutných technických prostředků, jejichž vzájemná vazba je zabezpečena lidským činitelem (operátorem), sloužícím k usnadnění lidské práce. Automatizace je vývojově vyšší než mechanizace. Automatizace technologického procesu je založena na samočinném řízení daného úkonu a jeho kontrole, což ve výsledku tvoří celý výrobní proces. Cílem automatizace je snížení nutnosti přítomnosti člověka při vykonávání určité činnosti. V oblasti řízení technologických procesů je dále důležitým pojmem automat, což je zařízení, které samočinně vykonává daný úkon či jiné předem definované funkce.

Automatizaci a mechanizaci technologických procesů je nutné chápat komplexně. Nejde jenom o samotný technologický proces (o jeden stroj, jeden úkon), ale o řadu dalších doprovodných operací (manipulaci s materiálem, technologickým odpadem, kontrolu a měření, výměnu nástrojů apod.). Z tohoto důvodu je nutné v případě řešení konkrétního problému uvažovat celou řadu aspektů, které daný proces ovlivňují za průběžného ekonomického zhodnocení. V širším kontextu lze moderní automatizované systémy klasifikovat na:

• prostředky a zařízení hmotného toku (např. transportní zařízení, dopravníky, tratě, zakladače, oddělovací a podávací mechanismy, orientační a kontrolní zařízení, manipulátory, roboty atd.);
• prostředky a zařízení informačního toku (spínače, nosiče informací a paměti, odměřovací zařízení, měřicí zařízení, snímací dotyky, senzory atd.);
• prostředky a zařízení energetického toku (měniče, servomechanismy atd.).

V článku se dále budeme věnovat především prostředkům automatizace a mechanizace pro zařízení hmotného toku. Jedná se zejména o manipulační zařízení (manipulátory). Průmyslové manipulátory (a roboty) jsou technická zařízení sloužící k transportu objektů, k přeměně jednoho druhu mechanického pohybu na jiný nebo k vedení objektů po určitých, předem definovaných drahách. Svým určením umožňují tyto prostředky mechanizovat a automatizovat výrobní i nevýrobní činnosti, jako např. podávání, vkládání, vyjímání, předávání dílců, a provádět přímé výrobní operace a manipulační úkony. Manipulační zařízení lze členit dle obr. 1.

Manipulátory s ručním řízením (teleoperátory) jsou jednoduché synchronní manipulátory bez automatického řízení. Jejich základním cílem je multiplikovat lidskou sílu a možnosti operátora. Manipulátory s pevným programem mají automatický řídicí systém, který však neumožňuje flexibilitu programování. Manipulátory s pružným programem mají pak vlastní řídicí systém s pružnou programovací schopností. Mezi tyto manipulátory patří celá škála průmyslových robotů.

Automatizace a mechanizace v plošném tváření

Lisování je technologický proces hojně užívaný v sériové a hromadné výrobě pro svoji jednoduchost, produktivitu a možnost snadné mechanizace a automatizace. Tvářecí stroj (výrobní jednotka) není sám o sobě schopen pracovat v automatickém chodu. Při ručním zakládání a vyjímání materiálu musí jednoznačně dojít k přerušení chodu smýkadla, což je v případě hromadné a sériové výroby nepřípustné. Správný automatický chod stroje je podmíněn napojením na automatizované pomocné operace, především v oblasti manipulace s materiálem, jako je zakládání a vyjímání polotovaru, resp. výlisku, manipulace s odpadem apod.

Vhodnou automatizací či mechanizací lisovacího procesu jsme schopni nejen výrazně zproduktivnit celý výrobní pochod, zvýšit jeho kvalitu a snížit počet neshodných dílů, ale také snížit spotřebu materiálu a výrazně zvýšit bezpečnost práce (manipulace s plechy s ostrými hranami).

Způsoby a zařízení mechanizace a automatizace rozdělujeme podle toho, jakému účelu slouží v rámci lisovacího procesu. Pracovní úkony, které úzce souvisí s vlastním výrobním procesem, lze rozdělit na:

• přípravu nástroje (očištění a kontrola);
• usazení nástroje do prostoru stroje a jeho seřízení;
• vlastní technologické operace lisování:
• o vložení polotovaru do nástroje;
• o vlastní pracovní zdvih (zdvihy stransportem materiálu do další operace);
• o vyjmutí výlisku a technologického odpadu;
• vyjmutí nástroje a očištění.

Procesy přípravy nástroje (kontrola, seřízení, očištění) lze automatizovat jenom v omezených případech (viz management nástrojů), a proto se v technologiích plošného tváření zabýváme nejvíce problematikou materiálového toku.

Vstupní materiál se do lisoven dodává nejčastěji ve formě tabulí a svitků. Manipulace s tabulemi, případně krátkými pásy je náročná a její zmechanizování či zautomatizování vyžaduje speciální manipulační zařízení (zaváděcí skříně, manipulační stoly, stohovače apod.). Při využití výchozího materiálu ve tvaru pásu nebo svitku potřebné šířky odpadá z přípravných operací dělení materiálu před lisováním. Materiál dodávaný ve svitcích je pro řadu aplikací výhodnější. Vyžaduje však použití postupových nástrojů. Např. technologický postup lisování rozměrově menších výlisků je realizován tak, že výlisek je do poslední výrobní operace spojen s pásem, který svým pohybem prostřednictvím automatizačních zařízení zajišťuje mezioperační dopravu výlisku.

Základní mechanizační prvky v procesu lisování nelze s ohledem na možný rozsah článku popisovat detailně, proto je zde alespoň rámcově vyjmenujeme v rámci schématu na obr. 2.

Automatizace dále zajišťuje bezpečnost a plynulost celého procesu. Chrání stroj před poškozením v případě vnější i vnitřní chyby, jakými je založení špatného materiálu, neoddělení dvou kusů přístřihu apod. Kontrola správného založení materiálu v nástroji může být realizována na základě různých fyzikálních principů (mechanicky, opticky, elektricky). K zastavení lisu se používá speciálních přerušovačů, které spojují nebo rozpojují elektrické obvody a tím uvádějí v činnost spínače chodu lisu.

Plynulost procesu zajišťují i operace dělení technologického odpadu, což jsou operace stejně důležité jako odvádění výrobků z nástroje a stroje. Zpracování technologického odpadu může být realizováno nůžkami implementovanými do nástroje nebo mimo stroj nebo navíječem na zadní navijáky. Výhodnější než použití nůžek je však řešení této operace přímo tvářecím nástrojem pomocí tzv. postřihovacích nožů.

Management nástrojů

Moderní automatizovaná pracoviště v plošném tváření jsou řešena komplexně, tedy kdy si stroj v mezním případě automaticky zajistí výměnu nástroje. Takový systém vykazuje větší míru efektivnosti a ekonomičnosti. Automatická výměna nástroje se uskutečňuje v situacích mezního (limitního) opotřebení nástroje a tehdy, přechází-li stroj na odlišnou technologickou operaci s jiným nástrojovým vybavením.

Automatická výměna nástrojů se na číslicově řízených strojích uskutečňuje buď tzv. mechanickou rukou ze zásobníku nástrojů, nebo pomocí revolverových hlav (u vysekávacích lisů) či automatizovaných speciálních podavačů dopravujících nástroje z externích zásobníků.

Sled nástrojů a jejich seskupení v zásobníku může být v principu buď podle technologického postupu vyráběného dílu nebo libovolné, tj. nástroje jsou voleny programem. První způsob je méně vhodný, protože vyžaduje pro každou novou součást výměnu nástrojů do nových poloh zásobníků, tj. nové seskupení, což představuje velké časové ztráty. Jeho nevýhodou je také to, že jednotlivé nástroje mohou být použity v programu pouze jednou. Druhý způsob, kde je nástroj volen programem, předpokládá automatické vyhledání nástroje v zásobníku podle kódovaného označení.

Rozdělení systémů automatické výměny nástrojů je prováděno podle druhů použitého zásobníku a jeho umístění vzhledem ke stroji:

• systémy se zásobníky přenášející síly od výkonu technologické operace (tvářecí);
• systémy se zásobníky umístěnými mimo pracovní místo (nepřenášející tvářecí síly);
• systémy kombinované.

Přínosy automatizace a manipulace v podmínkách plošného tváření

Jak již bylo několikrát zdůrazněno, je nutné automatizaci posuzovat v tom nejširším kontextu vědecko-technického charakteru, ale také ekonomického a sociálního. Základem jsou neustálé pokrokové tendence ve vědecko-technické sféře, jichž je člověk autorem. Výsledkem však je proces, který je člověkem pouze monitorován a nezasahuje do něj.

Tyto kroky, které vedou k osamostatnění technického procesu, jsou realizovány za účelem zkrácení průběžné doby výroby a zefektivnění produkce se současným růstem kvality a snižováním nákladů. Lze efektivně a rychle reagovat na změny v požadavcích zákazníka. Máme okamžitý přehled a informace o probíhajícím výrobním procesu. Výroba je stabilní s maximální mírou optimalizace. Obecně lze říci, že úroveň automatizace reflektuje technický pokrok v podnicích.

Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu SGS ČVUT 2010, reg. č. OHK2-038/10

Ing. František Tatíček, Ing. Tomáš Pilvousek, Ing. Martin Kubelka

Fakulta strojní ČVUT v Praze

Ústav strojírenské technologie

frantisek.taticek@fs.cvut.cz

roman.dvorak@mmspektrum.com