Témata

Při úvahách, jaký by měl být profil absolventa studijního programu Výrobní stroje, systémy a roboty na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, je třeba se zamyslet, jaké jsou současné požadavky průmyslu a vývojové trendy v oblasti konceptu Průmysl 4.0.

Jan Vetiška

Po ukončení magisterského studia oboru inženýrská informatika a automatizace na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně pokračoval v doktorském studiu v oboru inženýrská mechanika. Po dokončení doktorského studia nastoupil jako odborný asistent do Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky. V rámci pedagogické činnosti přednáší a vede cvičení v oblasti výpočtů a simulací obráběcích strojů a programování pro průmyslovou automatizaci. Od roku 2017 se jako vedoucí odboru robotiky a robotů věnuje aplikaci průmyslových robotů v technické praxi

Doc. Michal Holub

Je absolventem Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky FSI VUT v Brně a Professur für Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik, Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Chemnitz. Ve výzkumné a pedagogické činnosti je zaměřen především na zvyšování přesnosti obráběcích strojů (geometrickou, volumetrickou, pracovní a výrobní) a dále na téma on-machine measurement. Je členem redakční rady vědeckého titulu MM Science Journal. 

Reklama

Požadavky na budoucí zaměstnance Průmyslu 4.0 neboli absolventy zaměřené obecně na problematiku výrobních systémů jsou dnes velmi úzce provázány s definicí samotné filozofie Průmysl 4.0. Požadavky z průmyslu bylo dříve možné rozdělit oborově na konstrukci, robotiku, automatizaci a kvalitu. S velmi rychlým nástupem prvků Průmyslu 4.0 dochází také k dynamickému přeorientování samotného přístupu vzdělávání. Cílem je výchova absolventa, který se bude umět nejen orientovat v problematice Průmyslu 4.0, ale také svými znalostmi tuto oblast dále mezioborově rozvíjet. Dá se říci, že skokově vznikly požadavky z průmyslu na multidisciplinaritu vzdělávání zahrnující dílčí obory, jako jsou konstrukce, robotika, automatizace a kvalita.

Požadavky na výrobní systémy z pohledu zavádění prvků Průmyslu 4.0 lze ukázat na příkladu CPPS (cyber-physical production systems) prezentovaném autory Stock a kol. [1]. Tyto požadavky jsou znázorněny na schématu (viz obr. 1).

Schéma fází životního cyklu kyberneticko-fyzických produkčních systémů (CPPS). (Zdroj: FSI VUT)

Ke konvenčním inženýrským metodám a procesům návrhu výrobních systémů je nutné počítat s dalším vývojem výše uvedených CPPS.

Kvalifikace a dovednosti pro průmysl

V rámci studia na technicky zaměřených vzdělávacích institucích s orientací na výrobní systémy je nezbytným předpokladem absolvování takových kurzů, aby byly naplněny kvalifikační a dovednostní požadavky na daný obor. Tabulka 1 popisuje soubor kvalifikačních a dovednostních požadavků na zaměstnání v oblasti návrhu a provozu výrobních systémů navázaných na Průmysl 4.0.

V rámci absolvování studia získá student znalosti a dovednosti v oblastech konstrukce strojů, strojních skupin a zařízení. Studium této části zahrnuje základní požadavky na CAD systémy, schopnost samostatné práce v oblasti konstrukce strojních součástí a celků, včetně zpracování výkresové dokumentace. Nedílnou součástí a dnešními požadavky konstrukčních prací jsou napěťově-deformační analýzy (FEM), dynamické analýzy (MBS) a dále schopnost implementovat jednotlivé stroje a zařízení do výrobních celků (výrobních systémů).

Další oblastí studia jsou aktivity spojené s osvojením si znalostí a dovedností s průmyslovými roboty a manipulátory. V této fázi pracují studenti s programy pro online a offline programování, zpracování virtuálního zprovoznění robotického pracoviště, uvedení robotu do provozu s konečnou validací digitálního modelu.

Reklama
Reklama
Reklama

Nezbytnou součástí pro návrhy a provoz výrobních systémů jsou senzorické systémy a pokročilé řídicí systémy, které zajišťují funkčnost a bezpečnost pracoviště. Zde jsou získávány znalosti a dovednosti základních senzorických systémů, práce s PLC a dalšími médii, které jsou ověřovány na základních výukových standech až po programování tříosých frézovacích strojů.

Oblast kvality je zaměřena na posílení znalostí a dovedností, zejména na část metrologie a kontrolu samotného výrobního procesu a dále na bezpečnost výrobních systémů. V rámci aktivit jsou řešeny úlohy základní metrologie až po hodnocení výrobního procesu. Dále jsou studenti zapojeni do řešení úloh zaměřených na analýzu rizik a funkční bezpečnosti, která je úzce propojena s výše uvedenými oblastmi.

Poslední oblastí je získání dostatečných znalostí a dovedností z oboru IT pro výrobní systémy, kde jsou řešeny úlohy spojené s provozem výrobní sítě a zpracováním dat z výrobního systému a v neposlední řadě využití prvků virtuální reality (VR) pro práci s pokročilými vizualizacemi a informacemi výrobního systému zobrazeného ve VR.

S ohledem na měnící se znalostní požadavky na absolventy z průmyslového odvětví je nutné přistupovat již ve fázi vzdělávání na měnící se profil budoucího absolventa technické školy se zaměřením na výrobní systémy.

Výuka výrobních systémů

Kvalitní výuka výrobních systémů s prvky Průmyslu 4.0 je v současnosti založená na syntéze znalostí a dovedností. Na výrobní systém je nutné se dívat jako na komplex skládající se z mechaniky, elektrotechniky/elektroniky, automatizace a informatiky. Všechny tyto inženýrské obory je nutné v rámci výrobního systému aplikovat společně, aby bylo dosaženo vzájemné synergie. Všechny výše vyjmenované inženýrské disciplíny pracují ve fázi návrhu s velmi pokročilými softwarovými nástroji, které umožňují vytváření dílčích digitálních modelů pro různé účely a jejich vzájemnou co-simulaci. Tato skutečnost klade vysoké nároky na odbornou připravenost pedagogů a dobré znalosti studentů z předcházejícího vzdělávacího procesu.

V současnosti probíhá výuka výrobních systémů na jednotlivých fakultách/ústavech odděleně bez dostatečného multidisciplinárního přesahu. To má za následek velmi úzce specializovaného absolventa bez multidisciplinárního základu. Na tuto skutečnost se snaží reagovat Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky, Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně. V rámci výuky je kladen důraz na potřebnou multidisciplinaritu, tzn. strojírenské znalosti a dovednosti (CAD, CAM, FEM), které jsou doplněny o znalosti robotiky, elektrotechniky/elektroniky, automatizace, informatiky, metrologie, kvality a bezpečnosti. Na obr. 2 je představena koncepce výrobního systému, který je reprezentován výrobní buňkou skládající se ze dvou CNC obráběcích strojů (soustruh a frézka), průmyslového robotu, kontrolní stanice a bezpečnostních prvků nezbytných pro provoz v plně automatickém režimu. Koncepce výrobní buňky je založena na modularitě systémů, kde jsou postupně implementovány prvky Průmyslu 4.0 vycházející z požadavků kladených průmyslem a v závislosti na finančních možnostech pracoviště.

Obr. 2. Koncepce výrobního systému pro edukační účely Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky, FSI, VUT v Brně. (Zdroj: FSI VUT)

Edukační koncept vychází z aktuálních požadavků průmyslu a jeho tlaku na zavádění prvků Průmyslu 4.0. Tyto prvky jsou v rámci školy uplatňovány na vývojovém pracovišti znázorněném na obr. 3 vlevo. Výukové pracoviště je hardwarový základ pro sérii na sebe navazujících předmětů, ve kterých jsou studenti seznamováni s celým vývojovým procesem výrobního systému a jeho následnou údržbou. Tyto aktivity jsou vidět na obr. 3 vpravo.

Obr. 3. Digitální dvojče výrobního systému. (Zdroj: FSI VUT)

Základní strojařské disciplíny, jako jsou konceptuální návrh výrobního systému, tvorba CAD modelů, pevnostní, kinematické a dynamické analýzy a tvorba výrobní dokumentace, jsou rozšířeny o automatizační a informační technologie. Na obr. 4 je ukázka definování kinematické vazby typu Hinge Joint v SW Siemens NX za účelem virtuálního zprovoznění strojní osy Y CNC obráběcího stroje, znázorněno dle obr. 3 vpravo.

Obr. 4. Ukázka definování kinematické vazby pro virtuální zprovoznění CAD modelu osy Y frézovacího stroje. (Zdroj: FSI VUT)

Výše uvedené oblasti jsou vyučovány s využitím SIL a HIL a žádaným výsledkem je kompletní digitálně zprovozněný obráběcí stroj / výrobní systém, na kterém jsou testovány programy pro PLC, CNC stroje a roboty a jejich vzájemné propojení. Navržené SW řešení studenti testují na reálném výrobním systému. Pro uplatnění prvků Průmyslu 4.0 studenti navrhují sběr relevantních dat z jednotlivých částí výrobního systému (robot, CNC frézka, CNC soustruh, bezpečnostní prvky), která jsou následně ukládána a vizualizována pomocí VR (digitální stín).

Právě validací všech výše uvedených dílčích úkolů jsou schopni studenti získat potřebný nadhled nad jednotlivými činnostmi vedoucími od návrhu až po zprovoznění výrobního systému a rovněž nabýt patřičné znalosti a dovednosti pro uplatnění v průmyslových aplikací zaměřených na koncepci Průmyslu 4.0.

Reklama

Závěry

Vzhledem k postupné transformaci průmyslu a jeho aplikací se mění i požadavky na absolventy průmyslově orientovaných vzdělávacích institucí. Takovéto změny znamenají vysoké investiční náklady spojené nejen s lidskými zdroji, ale také s obnovou nebo alespoň upgradem strojního zařízení. V rámci vzdělávacích institucí orientovaných i na průmyslové aplikace, mezi které patří i výrobní systémy, není možné reagovat flexibilně. Návrh ucelené koncepce, výroba a oživení výrobního systému a příprava úloh pro edukační účely může trvat i několik let, a to za předpokladu, že jsou zajištěny finanční prostředky. V rámci financování vysokých škol lze na potřebné finance dosáhnout formou dotačních programů, což může modernizaci výuky ještě více prodloužit.

U vysoce progresivních oborů, jako jsou dnes robotika, automatizace a metrologie, není možné na vzdělávacích institucích držet tempo s průmyslem. Jednou z možných cest je postupně budovat takové úkoly, které jsou multidiciplinární a představují z pohledu dlouhodobého horizontu další integraci pokročilých technologií. Taková modulární koncepce výrobní buňky je prezentována v tomto článku. Výrobní buňka je koncipována pro multidisciplinární výuku v oboru výrobních systémů a je složená ze strojů a zařízení pořízených v posledních 20 letech. Důležitým předpokladem pro využití takto fyzicky zastaralých strojů a zařízení je možnost jejich rozšíření o senzory a I/O komunikační prvky, pomocí kterých je možné celý výrobní systém řídit na různých úrovních řízení.

Aktuální snahou je výše prezentovaný výrobní systém dále rozšiřovat například o jednoúčelovou měřicí stanici, prvky AI apod., a dále tak reagovat na požadavky průmyslu v oblasti vzdělávání. Ze získaných zkušeností v oblasti výuky je tento model dostačující a lze na něm prezentovat dílčí i ucelené prvky Průmyslu 4.0.


Související články
Digitalizujeme svět obrábění

Digitalizace v oblasti obráběcích strojů je poměrně nový fenomén. Svět digitalizace se stává svébytným ekosystémem a Siemens jako jediný má pro jeho vytvoření a fungování potřebnou škálu nástrojů – od simulačních programů pro plánování a virtuální zprovoznění strojů, výrobků i procesů přes řídicí systémy a další prvky průmyslové automatizace po monitoring a sběr dat, cloudová úložiště i manažerské nadřazené systémy. Jaké výhody digitalizace přináší, ukázal Siemens na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně mimo jiné také na prototypu multifunkčního obráběcího centra MCU450 společnosti Kovosvit MAS.

Na cestě ke zrození stroje, část 5: Zakázka

Série deseti článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje proces výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, na jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu, technické parametry a návratnost investic.

Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Související články
CIMT Peking, Část 1. Obecný pohled

V předvelikonočním týdnu se v Pekingu uskutečnil veletrh obráběcích strojů CIMT 2019. V asijském regionu se jedná o obdobu veletrhu EMO Hannover. A stejně jako EMO je velkou měrou národní výstava německé výrobní techniky, tak CIMT je převážně čínský. V tomto prvním vstupu se podíváme na letošní ročník trochu s odstupem, aniž bychom se zaměřili na konkrétní exponáty.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Kontakt s regionálními firmami je pro mě obrovskou inspirací

V cyklu podnikatelských příběhů jsme tentokrát měli možnost vyzpovídat Ing. Jiřího Holoubka, jehož profesní kariéra byla spojena především se společnosti ELCOM. V současné době se Jiří Holoubek vrcholově věnuje problematice Průmyslu 4.0.

Strojírenské fórum 2018: Inteligentní výroba

Další z již tradičních setkání odborníků (nejen) z oblasti výroby – podzimní Strojírenské fórum – se odehrálo 8. listopadu, tentokrát v prostorách Ústavu výrobních strojů a zařízení a RCMT FS ČVUT v Praze.

Nebojte se výzev!

Tuto větu mi na konec rozhovoru řekl Ing. Radomír Zbožínek, člen představenstva Tajmac-ZPS, který se stále podílí na dění v mateřské firmě. Slovo "mateřská" pro pana Zbožínka platí dvojnásob, do firmy totiž nastoupil 1. listopadu 1972, takže zde "kroutí" již svou 46. sezonu. Tak akorát na to, aby jeho slova mohla posloužit i dalším lidem.

Veletržní válka světů

Redakce MM Průmyslového spektra věnovala šanghajskému veletrhu obráběcích strojů CCMT 2018 nemalou pozornost ve zpravodajství, které bylo uveřejňováno na webových stránkách v rubrice Očima redakce. V tomto článku a na přiložených obrázcích jsou zaznamenány veletržní postřehy, čínský kolorit, veletržní statistiky i holá fakta z oblasti čínského průmyslu. Něco málo o čínské výrobní technice a technologiích, které byly prezentovány na CCMT 2018, i pár dalších postřehů, jsme připravili do tohoto vydání.

Perspektivy čínského draka

Již několik let vám pravidelně v tomto čase přinášíme reportáže ze dvou klíčových strojírenských veletrhů celého asijského kontinentu, které jsou určitým barometrem srovnání postupného vývoje čínských výrobců obráběcích strojů a komponent, ale i pohledem na zvolené marketingové strategie nadnárodních společností při jejich penetraci na zdejší čínský trh – největší a nejprogresivněji rostoucí na světě. V lichých letech se v Pekingu v dubnu koná veletrh CIMT (China International Machine Tool Show), v sudých přibližně ve shodné době pak v Šanghaji veletrh CCMT (China CNC Machine Tool Fair). Aktuální postřehy z každého dne veletrhu jsme přinášeli prostřednictvím redakčního portálu mmspekturm.com a sociální sítě facebook, s tradičním komplexnějším pohledem na veletrh a čínský komoditní trh jako takový přicházíme nyní.

Open House Pfronten

Koncem ledna 2018 se konalo pravidelné setkání uživatelů technologií DMG Mori ve výrobním středisku ve Pfrontenu. Akci již tradičně podpořila pobočka DMG Mori Czech, která svým parnerům zorganizovala možnost prohlídky sídla mateřské firmy v tomto bavorském městečku na úpatí Alp.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

EMO zrcadlem pokroku a inovací

Při příležitosti prezentace veletrhu EMO 2017 Hannover před evropskou novinářskou obcí se uskutečnilo i pražské zastavení. Zastoupení Deutsche Messe pro ČR zorganizovalo tiskovou konferenci, které se vedle generálního ředitele EMO Hannover Christopha Millera účastnil i tiskový mluvčí hannoverského veletržního komplexu Hartwig von Sass spolu s ředitelem českého svazu SST Ing. Paclíkem a předsedou Společnosti pro obráběcí stroje doktorem Smolíkem.

Diskutovaný Průmysl 4.0

Fenomén Průmysl 4.0, nastínění možných směrů vývoje a příprava společnosti na změny způsobené novými technologiemi – to jsou diskutovaná témata konferencí a seminářů současnosti. Podpora výzkumu a vývoje se musí soustřeďovat na technologicky významné oblasti vycházející z potřeb české průmyslové praxe. Odborníci zdůrazňují potřebu vzdělávání a zvyšování kvalifikace zaměstnanců.

Inovace. Co to vlastně je?

Vděčné sexy téma, o kterém rádi všichni mluví, ale nikdo pořádně neví, jak je skutečně realizovat. Celá řada hvězdiček, jimž se podařilo inovovat sebevětší pitominu a s ní nějak uspět na našem malém hladovém lokálním trhu se cítí být vyvoleni rozdávat moudra. Zasvěcený člověk se pak nestačí divit.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit