Procesele de Fabricare
BIBLOGRAFIE
[1] Abrudan I – Sisteme flexibile de fabricație, concepte de fabricație și management, Ed. , 1996;
[2] Dragomir R. – Contribuții la sinteza optimală a sistemelor de fabricație robotizate în turnătorii – Teză de doctorat – Timișoara 2005
[3] Dubinin N.: Turnarea in forme metalice. Ed. Tehnica, Buc. 1980;
[4] Ienciu M., Panait N., Moldovan P., Buzatu M.; – Elaborarea și turnarea aliajelor neferoase speciale, E.D.P. Bucuresti 1984;
[5] [NUME_REDACTAT].,Țarcă R, Blaga F, Tripe V A – Sisteme de fabricație flexibilă – [NUME_REDACTAT] din 1999
[6] [NUME_REDACTAT] Corbu, [NUME_REDACTAT], – [NUME_REDACTAT], Ed. Universității din Oradea, 2003
[7] [NUME_REDACTAT] A. – Proiectarea dispozitivelor – Universitatea din Oradea 2002
[8] [NUME_REDACTAT] A. – Optimizarea constructivă și funcțională a modulelor cu acționare hidraulică din construcția roboților – [NUME_REDACTAT]
[9] [NUME_REDACTAT] Cătălin – Bazele roboticii – curs – Universitatea din Oradea
[10] [NUME_REDACTAT] Cătălin – Sisteme de fabricație flexibilă și sisteme CIM – curs – Universitatea din Oradea
CUPRINS
Capitolul 1.
Proces de fabricație – Sisteme de fabricație
1.1 Noțiuni generale
CAPITOLUL 2
CERCETĂRI ȘI REALIZĂRI ÎN DOMENIUL AUTOMATIZĂRII PROCESELOR DE TURNARE SUB PRESIUNE
2.1. Considerații generale privind procesul de turnare al aliajelor neferoase
2.2 Fabricatie flexibilă în turnarea sub presiune
2.3 Sisteme de alimentare cu aliaj topit.
CAPITOLUL 3
IMPLEMENTAREA FLEXIBILITĂȚII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
3. 1 Analiza sistemelor de fabricație flexibilă. Condițiile flexibilității și funcționării automate a sistemelor de fabricație flexibilă
3.2 Sinteza sistemului de fabricație flexibilă robotizată
3.3 Analiza oportunității modernizării.
CAPITOLUL 4
ANALIZA SUBSISTEMULUI DE ALIMENTARE CU ALIAJ TOPIT A MAȘINILOR DE TURNAT SUB PRESIUNE
4.1 Traiectorii ale cupei de alimentare
4.2 Suportul teoretic în vederea optimizării parametrilor cinematici ai manipulatorului de alimentare cu aliaj
4.3. Optimizarea accelerației tangențiale a cupei de transport aliaj în stare topită
4.4. Modelul matematic al operatiei de turnare sub presiune
4.5 Elaborarea metodei de modelare pe calculator a funcționării pistonului mașinii de turnat sub presiune ca și o axă de translație a unui robot.
4.6 Prezentarea structurii axei de translație orizontală pentru pistonul mașinii de turnat sub presiune
4.7. Schema de conducere a axei hidraulice de translație
4.8 Subsistemul de măsurare a deplasării relative a elementelor cuplelor cinematice conducătoare (axei).
4.9. Subsistemul de comandă
4.10 Subsistemul de contorizare și conversie A/D respectiv D/A
CAPITOLUL 5
FLEXIBILITATEA SISTEMELOR DE FABRICAȚIE ROBOTIZATE LA TURNAREA SUB PRESIUNE
5.1 Sinteza optimală a ciclogramelor de funcționare în SFF
5.2 Optimizarea planuluide amplasament
5.3 Analiza și sinteza structurii sistemului de fabricație flexibilă de turnare sub presiune cu cameră rece
5.4 Sinteza planului de amplasament (LAYOUT) al componentelor sistemului de turnare cu camera rece
5.5 Sinteza ciclogramei sistemului de fabricație flexibilă de turnat sub presiune cu cameră rece
CAPITOLUL 6
ANALIZA ECONOMICĂ A INTRODUCERII ROBOTIZĂRII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
Concluzii
BIBLOGRAFIE
CUPRINS
Capitolul 1.
Proces de fabricație – Sisteme de fabricație
1.1 Noțiuni generale
CAPITOLUL 2
CERCETĂRI ȘI REALIZĂRI ÎN DOMENIUL AUTOMATIZĂRII PROCESELOR DE TURNARE SUB PRESIUNE
2.1. Considerații generale privind procesul de turnare al aliajelor neferoase
2.2 Fabricatie flexibilă în turnarea sub presiune
2.3 Sisteme de alimentare cu aliaj topit.
CAPITOLUL 3
IMPLEMENTAREA FLEXIBILITĂȚII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
3. 1 Analiza sistemelor de fabricație flexibilă. Condițiile flexibilității și funcționării automate a sistemelor de fabricație flexibilă
3.2 Sinteza sistemului de fabricație flexibilă robotizată
3.3 Analiza oportunității modernizării.
CAPITOLUL 4
ANALIZA SUBSISTEMULUI DE ALIMENTARE CU ALIAJ TOPIT A MAȘINILOR DE TURNAT SUB PRESIUNE
4.1 Traiectorii ale cupei de alimentare
4.2 Suportul teoretic în vederea optimizării parametrilor cinematici ai manipulatorului de alimentare cu aliaj
4.3. Optimizarea accelerației tangențiale a cupei de transport aliaj în stare topită
4.4. Modelul matematic al operatiei de turnare sub presiune
4.5 Elaborarea metodei de modelare pe calculator a funcționării pistonului mașinii de turnat sub presiune ca și o axă de translație a unui robot.
4.6 Prezentarea structurii axei de translație orizontală pentru pistonul mașinii de turnat sub presiune
4.7. Schema de conducere a axei hidraulice de translație
4.8 Subsistemul de măsurare a deplasării relative a elementelor cuplelor cinematice conducătoare (axei).
4.9. Subsistemul de comandă
4.10 Subsistemul de contorizare și conversie A/D respectiv D/A
CAPITOLUL 5
FLEXIBILITATEA SISTEMELOR DE FABRICAȚIE ROBOTIZATE LA TURNAREA SUB PRESIUNE
5.1 Sinteza optimală a ciclogramelor de funcționare în SFF
5.2 Optimizarea planuluide amplasament
5.3 Analiza și sinteza structurii sistemului de fabricație flexibilă de turnare sub presiune cu cameră rece
5.4 Sinteza planului de amplasament (LAYOUT) al componentelor sistemului de turnare cu camera rece
5.5 Sinteza ciclogramei sistemului de fabricație flexibilă de turnat sub presiune cu cameră rece
CAPITOLUL 6
ANALIZA ECONOMICĂ A INTRODUCERII ROBOTIZĂRII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
Concluzii
BIBLOGRAFIE
CAPITOLUL 1.
PROCES DE FABRICAȚIE – SISTEME DE FABRICAȚIE
1.1 Noțiuni generale
Pentru realizarea unui produs în general se parcurg un anumit proces de fabricație.
Funcția generală a unei producții este aceea de a asigura producerea de bunuri materiale, de servicii sau spirituale necesare consumatorilor. Prin producție se înțelege suma tuturor activităților care concură la transformări de bunuri materiale sau servicii dintr-o formă în altă prin consum de forță de muncă în bunuri materiale sau servicii în scopul satisfaceri unor necesități. De regulă activitățile consumatoare de forță de muncă se numesc intrări sau inputuri iar produsele obținute sau serviciile se numesc mărimi de ieșire sau output care pot fi bunuri materiale sau servicii, figura 1.1.
Fig.1.1 Model de reprezentare a producției
Mărimile de intrare sunt reprezentate de factorii primari a producției care reprezintă elementele indispensabile oricărui proces de fabricație.
Factorii primari indispensabili a unui proces de producție sunt:
obiectele muncii- sunt acele obiecte asupra cărora se acționează prin diferite mijloace pentru a le transforma în produse finite (piese, repere);
forța de muncă- reprezintă totalitatea aptitudinilor fizice și intelectuale de care dispune organismul uman și pe care le pune în funcționare omul în momentul producerii;
energie- reperezintă energia necesară punerii în funcțiune a mijloacelor de producție în vederea desfășurării procesului de producție.
În cadrul unui proces de producție întră o serie de activități:
marketing: care reprezintă activitatea de depistare a necesităților unui produs prin prospectarea pieței;
proiectare (design): activitatea de stabilire a concepției constructive și tehnologicea produsului;
aprovizionarea: reprezintă activitatea de achiziționarea a unor produse primare sau finite necesare desfășurări procesului de fabricație;
vânzarea: reprezintă activitatea de valorificare a produsului (bun material sau servicii) care consumă atât forță de muncă cât și alte servicii;
servicii după vănzare: reprezintă activitatea de servicii, întreținere , reparații;
reciclarea: activitatea de recuperare și refolosire a unor componente ale produsului;
management: reprezintă activitatea organizatorică pentru corelarea tuturor acestor activități. Managmentul constituie un liant respectiv un integrator al acestor activități. Cu cât acest integrator este mai performant cu atât procesul de fabricație este mai performant cu consecințe corespunzătoare pe piață.
Definirea procesului de fabricație
Prin proces de fabricație se înțelege totalitatea operaților și fazelor care concură la realizarea unui produs sau servicii. Orice proces de fabricație are în structura sa operații de prelucrare în care intră prelucrări mecanice sau operații de asamblare respectiv montaj și operații de manipulare care reprezintă totalitatea operațiilor numite auxiliare, cum ar fi transportul depozitări, aprovizionarea mașinilor de lucru, evacuarea, control etc.
Un proces de fabricație din punct de vedere organizatoric poate fi:
Proces de fabricație: rigid- cu posibilități reduse de schimbare necesitând investiții mari;
– Proces de fabricație flexibile- cu posibilități ridicate de schimbare a fabricație cu investiții reduse;
Din punct de vedere al modului de desfășurare procesul de fabricație poate fi:
clasice:- cu intervenția permanentă a operatorului uman;
mecanizate:- cu intervenția limitată a operatorului uman;
automat: în care operatorul uman are rol numai de supraveghere a procesului de fabricație, el desfășurându-se în mod automat.
În figura 1.2 se prezintă clasificarea proceselor de fabricație conform acestor precizării.
După cum rezultă din figură orice proces de fabricație se împarte într-un număr limitate de procese parțiale de fabricație care necesită aplicarea unor procedeu specifice.
Suma procedeelor de fabricație necesară pentru realizarea proceselor parțiale de fabricație constituie tehnologia de fabricație. Procedeele de fabricație se definesc din punct de vedere tehnologic prin operații succesiuni de operații caracteristice echipamentelor de lucru și a materie prime la care se referă transformarea.
Fig.1.2 Clasificarea proceselor de fabricație
Operațiile care definesc procesele de fabricației se clasifică în două mari grupe, după rolul lor în cadrul procesului și după efectele lor asupra materiei prime astfel;
Operații de prelucrare ;
Operații de manipulare.
Operațiile de prelucrare realizează schimbarea formei, dimensiunilor, stării de agregare, caracteristice, proprietăților fizico-chimice, proprietăților mecanice etc.
Operații de manipulare
Realizează schimbarea situări obiectelor, sculelor sau dispozitivelor, și obținerea unor date despre acestea.
După modul de organizare a proceselor de fabricație acestea pot fi conform schemei din figura 1.2: rigide, flexibile, clasice, mecanizate, automatizate.
Din punct de vedere istoric primele procese de fabricație au fost considerate flexibile datorită operatorului uman care realizează operațiile de manipulare, fiind elementar flexibil al procesului. Prin introducerea unor instalații respective dispozitive de manipulare s-au înlocuit anumite sarcini de manipulare ale operatorului uman obținându-se procesul de fabricație mecanizat care devine însă și rigid, cu consecințele precizate anterior. Prin introducerea in totalitate a unor instalații sau dispozitive de manipulare printre care și introducerea robotizării procesul de fabricație devine automat dar si cu capacitate flexibile. Elementul principal al flexibilității fiind robotul. Pentru a obține un produs final (mașina, instalație, etc.) în cadrul procesului de fabricație o componentă importanta este formată din operațiile de montaj respectiv de asamblare a componentelor realizate în procesul de fabricație de prelucrare astfel încât se poate prezenta o clasificare generală a unui proces de fabricație a acestor produse, conform figurii 1. 3.
Fig 1. 3. Proces de fabricație general
În general procesele pot fi:
procese naturale care se desfășoară în mod liber în natură sub acțiunea unor factori fizici, chimici etc. în timp, ceea ce conduce la obținerea unor produse naturale fie produse de bun consum fie produse minerale necesare obținerii unor produse industriale
procese artificiale: sunt acelea in care intervine operatorul uman prin procesele de fabricație în vederea obținerii unor bunuri materiale sau servicii.
Din punct de vedere al modului de desfășurare al proceselor de fabricație acestea pot fi:
procese de fabricație continue;
procese de fabricație discontinue.
Figura 1.4. Tipuri de procese de fabricație artificială
Procesele de fabricație continue au fost cele dintâi automatizate datorită ușurinței de introducere a sistemelor de automatizare. Din categoria proceselor de fabricație continue fac parte procesele de obținere a produselor din industria chimică, petro-chimică etc. Aceste procese de fabricație se desfășoară în mod continuu în care materia primă se prelucrează in instalații cu flux continuu fără intervenția operatorului uman, obținându-se la diferite faze derivatele, produsele necesare. Operatorul uman urmărește realizarea parametrilor prescriși procesului de fabricație. Procesele discontinue sunt mai greu de automatizat datorită varietăți de tipoforme și tipodimensiuni a produselor precum si datorită varietăților de operații de manipulare care diferă de la produs la produs. Aceste procese pot fi automatizate prin introducerea robotizării.
Sisteme de fabricație
Prin intermediul sistemului de fabricație se desfășoară procesul de fabricație. Prin sistem de fabricație se înțelege totalitatea mijloacelor materiale si componente nemateriale care concură la realizarea unui produs și care sunt grupate in timp si spațiu intr-un mod bine determinat.
Între un proces de fabricație și sistemul corespunzător de fabricație există o corespondență biunivocă bine determinate. Plecând de la structura procesului de fabricație se concepe structura sistemului de fabricație.
Structura generală a unui sistem de fabricație se prezintă in figura 1.5.
Fig 1.5. Structura sistemelor de fabricație
Sistemul de fabricație are două componente de baza:
subsistemul de prelucrare care cuprinde operatorul uman (OU), mașini de lucru (ML), dispozitive de lucru (DL), scule (S), robot industrial de prelucrare (Rip). Aceste componente pot exista în totalitate sau parțial într-un sistem de fabricație;
Subsistemul de manipulare prin intermediul căruia se realizează operațiile de manipulare care pot fi realizate de către: operatorul uman (OU) ;dispozitiv de manipulare automata (DMA); instalații aducătoare sau de evacuare (IA/E); roboti industriali de manipulare (RIM).
După gradul de ocupare cu aceste echipamente rezultă tipul sistemului de fabricație.
CAPITOLUL 2
CERCETĂRI ȘI REALIZĂRI ÎN DOMENIUL AUTOMATIZĂRII PROCESELOR DE TURNARE SUB PRESIUNE
2.1. Considerații generale privind procesul de turnare al aliajelor neferoase
Procesul de turnare sub presiune al aliajelor neferoase este o activitate tehnică, care se ocupă cu studiul metalelor, al procedeelor și al utilajelor necesare obținerii pieselor, prin turnarea aliajelor topite în matrițe.
Procedeele speciale de turnare conduc la obținerea unor piese turnate de o factură specială în ceea ce priveste: forma și configurația, toleranțele dimensionale și netezimea suprafetelor, caracteristicile mecanice sau alte particularități.
Analiza procedeelor speciale de turnare implică studierea celor patru fenomene principale:
●curgerea aliajului lichid si umplerea cavității din forma de turnare;
●solidificarea;
●cristalizarea;
●interacțiunea aliaj lichid – materialul formei de turnare.
Specific procedeelor speciale de turnare sunt întrebuințarea unor forme metalice care asigură viteze mari de răcire; viteza marită de răcire este un parametru comun tuturor procedeelor speciale de turnare care în final, imprimă acestora anumite particularități neântâlnite in cazul procedeului clasic de turnare în forme din amestec de formare.
Alți factori care intervin în cazul procedeelor speciale de turnare și care au o influență hotărâtoare asupra celor patru fenomene menționate (curgerea, solidificarea, cristalizarea, interacțiunea) sunt:
●forțele sub care se realizează curgerea și solidificarea;
●modul de extragere (transmitere) a căldurii piesei de către formă (matriță), caracterul solidificării și particularitățile formării structurii primare.
Forțele sub acțiunea cărora se realizează curgerea și solidificarea, caracterul solidificării și existența în permanență a unor viteze mărite de răcire constitue criterii după care se pot clasifica procedeele speciale de turnare. În fig. 2.1 se prezintă o astfel de propunere de clasificare a procedeelor speciale de turnare.
Un caz aparte, prin particularitățile curgerii și solidificării aliajului, îl constitue procedeul de turnare sub presiune.
Prin procedee de turnare sub presiune se înțeleg acele procedee de obținere a pieselor turnate, caracterizate prin aplicarea presiunii exterioare în timpul curgerii, solidificării și răcirii aliajelor în cavitatea formei. Clasificarea procedeelor de turnare sub presiune ține seama de următoarele elemente:
natura agentului care realizează presiunea (fig. 2.2);
modul de exercitare(direcție) a presiunii asupra aliajului care curge și cristalizează;
valorile presiunilor realizate.
Procedeul de turnare sub presiune, cu presiune unilaterală realizată cu ajutorul gazului se obține prin introducerea aerului (sau a altui gaz) în cavitatea maselotei închise în vederea îmbunătățirii condițiilor de alimentare a pieselor turnate precum și în cazul introducerii aerului pe suprafața oglinzii aliajului care se găsește într-un creuzet. Presiunea se realizează fie cu presiunea atmosferică fie cu o suprapresiune realizată din descompunerea termică a unor substanțe generatoare de gaze.
O alta metodă de turnare este cea în care aliajul lichid din creuzet este forțat să se ridice în cavitatea amprentă din formă printr-un tub sifon adecvat; procedeul este larg aplicat și este cunoscut sub denumirea de turnare la joasa presiune.
Procedeul de turnare sub presiune multilaterală se realizează prin introducerea gazului într-o autoclavă în care se găsește forma din amestec, asamblată, pregatită pentru turnare. Presiunea gazului acționează din toate părțile asupra aliajului lichid sau în curs de solidificare.
Turnarea sub presiune mecanică se obține prin utilizarea forței de apăsare dezvoltată fie de un piston, fie de un poanson sau cu ajutorul unui dispozitiv combinat piston – poanson.În cazul propriu-zis al turnării sub presiune, pistonul acționează asupra aliajului lichid sau în stare păstoasă, într-o cameră de compresie forțându-l să treacă printr-o diuză de injectare la care este racordată etanș forma metalică (matrița); specific procedeului este curgerea aliajului sub presiune, prin injectare și deci existența unei rețele de turnare în forma metalică, prin care cavitatea amprentă este umplută cu aliaj.
În funcție de valoarea presiunii se pot deosebi următoarele grupe de procedee de turnare sub presiune:
● procedee cu presiuni mici (presiune de gaze);
●procedee cu presiuni medii (presiune mecanică);
● procedee cu presiuni înalte (presiune mecanică).
În grupa procedeelor de turnare cu solidificare sub presiune, se pot include și categoria metodelor de turnare cu solidificare sub presiune mecanică în condiții dinamice și turnarea continuă (procedee de turnare cu solidificare dirijată).
La procedeul de turnare prin expulzare progresivă umplerea și solidificarea se face sub presiune mecanică și în condiții dinamice; concomitent cu umplerea și solidificarea, presiunea mecanică realizează într-o oarecare măsură și o deformare plastică a aliajului turnat când acesta se găsește într-o stare tranzitorie spre starea solidă.
Turnarea continuă constă în formarea continuă a unei piese turnate printr-o răcire dirijată a aliajului într-o formă metalică răcită(cu apă) – cristalizator. Cristalizatorul poate avea pereții imobili(turnare clasică) sau mobili caz în care cristalizorul realizează o solidificare în condiții dinamice, o spălare a frontului de solidificare cu un jet de lichid și chiar o deformare plastică finală a semifabricatului și aducerea lui la dimensiunea critică minimă dintre cele două părți mobile.
Solidificarea dinamică, în urma căreia se obțin structuri deosebit de fine, se obține și prin vibrarea aliajului la solidificare. Vibrațiile sunt transmise aliajului cu ajutorul unor vibratoare mecanice cu excentric sau electromagnetic, în cursul curgerii spre forma de turnare sau chiar în formă în timpul solidificării.
2.2 Fabricatie flexibilă în turnarea sub presiune
Constrângerile legate de produse privind prețul, calitatea și promptitudinea în livrare impun sistemelor de producție imperative de productivitate, fiabilitate și flexibilitate.
Conceptul de flexibilitate constă în necesitatea unei percepții globale asupra intreprinderii și asupra mediului sau. Flexibilitatea în producție în condițiile păstrării unei productivități specifice producției de masă implică pe lângă structurile de producție și armonia funcțională a cel puțin trei factori: omul, organizarea și piața.
Capacitatea de a produce în condiții de productivitate și calitate piese diverse de manieră aleatoare este foarte diferită de la un sistem de fabricație la altul.
În general se acceptă că un atelier flexibil se compune din trei elemente principale:
un sistem de fabricație ( sau transport – stocare );
un sistem de manipulare;
un sistem de comandă și control.
Combinația celor trei dau ca rezultat un schelet pe care se pot construi un număr nelimitat de soluții practice.
Celula reprezintă forma cea mai simplă de organizare a producției integrate, având minim o mașină echipată (CNC sau AP) pentru a putea fi integrată informatic cu componentele unui subsistem de manipulare și îndeplinind sarcini specifice unor operații de transformare (fabricație) transport – stocare sau control. Pentru o celulă suplețea de adaptare este prioritară și are în general scopul eliberării cel puțin parțiale a operatorului uman de mașină. Un nivel superior este dat de celula flexibilă robotizată care se poate integra într-un sistem de nivel superior. Costul lor este accesibil și pentru intreprinderile mici si mijloci.
Atelierele flexibile reprezintă o formă complexă de organizare a producției pe baza mai multor celule flexibile reunite și integrate într-un sistem.
În figura 2.3 se prezintă schematizarea principiului global al producției integrate în cazul realizării produselor prin turnare sub presiune.
Fig. 2.3 Principiul global al producției integrate
În figura 2.4 se prezintă sistemul informatic utilizat pe mașinile de turnat sub presiune bazat pe cunoșterea parametrilor de reglaj ai mașinii a parametrilor procedeului și a celor legați de exploatarea și gestiunea comenzilor pentru optima utilizare a mașinii.
În figura 2.5 se prezintă layout-ul unui atelier flexibil de turnare sub presiune.
Fig. 2.4 Sistem informatic utilizat pe mașinile de turnat sub presiune.
Fig. 2.5 Celulă de turnare sub presiune
În cazul proceselor de turnare sub presiune problemele care trebuiesc rezolvate prin automatizare și robotizare țin atât de proces cât și de amonte și avalul lui figura 2.6.
Fig. 2.6 Automatizarea procesului de turnare sub presiune
În amonte problema alimentării cu aliaj topit este asigurată prin utilizarea unui manipulator care asigură alimentarea, cu o cantitate bine determinată de aliaj topit, camera de compresie a mașinii de turnat.
În cadrul procesului de turnare automate programabile supervizate de un calculator central asigură prin programe adecvate atât parametrii optimi ai ciclului (presiune, temperaturi, durată) cât și încărcarea optimă a mașinii prin intervențiile de schimbare a matriței.
Pentru o umplere optimă a cavității matriței tinând cont de curgerea metalului topit în funcție de caracteristicile geometrice ale canalelor de alimentare (rezistențe hidraulice) de tipul de curgere (laminară sau turbulentă) se impune determinarea unei legi de mișcare a pistonului mașinii de turnat sub presiune, comanda acestuia făcându-se la fel ca și comanda unei axe de robot.
Schimbarea matrițelor presupune un sistem logistic adecvat de manipulare și transport cât și adaptări constructive pe mașină și sculă care permit instalarea și racordarea rapidă a matriței (sistem de conditionare a matriței, platformă de montare – demontare, forme standardizate, bride de fixare rapidă, elemente de clipsare rapidă, maipulatoare, robocare etc.)
Evacuarea pieselor turnate în cicluri scurte și deci cadențe ridicate va presupune utilizarea unui robot cu senzori ai stării de evacuare corectă, platforme și benzi de stocare a pieselor, sisteme de ungere matriță și în final operațiuni ale robocarului pentru stocarea pieselor în magazii.
Ralizarea matrițelor se face în celule sau ateliere flexibile de fabricație, utilizandu-se tipizate
2.3 Sisteme de alimentare cu aliaj topit.
La sistemele automate flexibile există soluții constructive de a asigura alimentarea automată a mașinii de turnat sub presiune utilizând manipulatoare și roboți industriali figura 2.7.
Fig. 2.6 Alimentare manuală
Fig. 2.7 Roboți ce manipulează oala de turnare cu aliaj topit
2.4 Evacuarea pieselor din matriță utilizând roboți și manipulatoare
Evacuarea pieselor din matrițe se realizează automat utilizând manipulatoare și roboți industriali figura 2.8.
Fig. 2.8 Manipulatoare ce servesc mașina de turnat sub presiune
Fig. 2.8 Roboți care servesc mașina de turnat sub presiune
În figura 2.9 este prezentat un robot ce servește o mașină de turnat sub presiune în sensul evacuării piesei din spațiul de lucru al mașinii de turnat sub presiune și depunerea acesteia în matrița de debavurat.
Forma constructivă a dispozitivelor de prehensiune a roboților depinde de forma piesei turnate care trebuie manipulată, greutatea ei, starea de rigiditate și gradul de precizie pozițional cerut. De regulă aceste dispozitive de prehensiune sunt prevăzute cu mecanism de micromișcare pentru extracția pieselor din matriță. Unele efectoare finale ale roboților ce deservesc mașinile de turnat sub presiune sunt prevăzute cu pistol de pulverizare aer comprimat pentru răcire și silicon pentru ungere.
În figura 2.10 se prezintă diferite soluții constructive a dispozitivelor de prehensiune.
Fig.2.10 Dispozitive de prehensiune ale unui robot pentru piese turnate sub presiune (Schunk)
În figurile 2.11…2.13 sunt prezentate sisteme de turnat sub presiune servită de roboți.
Fig.2.11 Mașină de turnat sub presiune servită de roboți;
1- mașina de turnat sub presiune; 2 – manipulator de oală de turnare; 3 – robot de evacuare piese turnate; 4 – automat de lubrifiere matriță.
Fig.2.12 Mașină de turnat sub presiune [NUME_REDACTAT].2.13 Sistem de turnare sub presiune FATA Aluminum
CAPITOLUL 3
IMPLEMENTAREA FLEXIBILITĂȚII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
3. 1 Analiza sistemelor de fabricație flexibilă. Condițiile flexibilității și funcționării automate a sistemelor de fabricație flexibilă
3.1.1 Fluxuri de materiale, energie și informații tehnologice
Prin analiza unui sistem se înțelege studiul unui sistem existent cu scopul de a stabili proprietățile sistemului.
Sistemul de fabricație reprezintă totalitatea mijloacelor materiale și a componentelor nemateriale grupate în spațiu și timp în vederea realizării a uneia sau mai multor sarcini de fabricație.
Prin sarcina de fabricație se înțelege funcția sistemului de fabricație care înseamnă transformarea în timp a unor intrări de materiale energie și informație, într-o ieșire (output) constituită din materie, în care cu ajutorul energiei s-a "impregnat" informația. Într-un sistem de fabricație intrările se constituie din materiale, energie și informație, iar ieșirile sunt materializate prin produsul realizat, deșeuri dar și disipare de energie.
Desfășurarea în timp (viteză) a intrărilor și respectiv ieșirilor dintr-un sistem poartă denumirea de fluxuri.
Într-un sistem de fabricație există fluxuri de (fig.3.1):
• materiale;
•energie;
•informații.
Fig.3.1 Schema bloc a unui sistem
Sistemele se pot clasifica după numărul intrărilor și ieșirilor.
Debitul de materiale se definește ca fiind cantitatea sau volumul de materiale care intră/ies din sistem în unitatea de timp.
În cazul în care există un flux simplu de materiale atât la intrarea cât și la ieșirea din sistem, procesul se caracterizează ca având loc fără îndepărtare de deșeu, iar schema bloc a sistemului este reprezentată în fig. 3.2 .
Pentru procesele de această natură (turnare) se poate scrie relația:
(3.1)
Procesul de așchiere se caracterizează prin aceea că la intrare există un singur flux de materiale, iar la ieșire pe lângă piesa finită apare deșeul.
Schema bloc a unui sistem de fabricație prin așchiere cu debitul de intrări-ieșiri de materiale este prezentat în fig 3.3.
Fig. 3.2 Schema bloc a unui sistem de fabricație ( un flux de intrare și unul de ieșire)
Fig. 3.3 Schema bloc a unui sistem de fabricație (un flux material de intrare și două de ieșire)
Între debitele de intrare – ieșire există în acest caz următoarea relație:
(3.2)
Pentru procesele de montaj este evidentă existența mai multor intrări (repere, subansamble) și a unei singure ieșiri materializată prin produsul finit. Schema bloc specifică unui sistem de asamblare se prezintă în fig. 3.4.
Fig. 3.4 Schema bloc a unui sistem de fabricație (mai multe fluxuri de materiale de intrare și unul de ieșire)
Astfel, pentru acest caz suma debitelor de intrare de materiale se identifică cu debitul de ieșire din sistem:
(3.3)
Pe lângă fluxul de materiale, intrările în sistemul de fabricație mai sunt constituite și din fluxurile de energie, respectiv de informație.
Fluxul de energie "intrat" în sistem realizează pe de o parte "impregnarea" fluxului de informații în fluxul de materiale, pe de altă parte face posibilă deplasarea materialelor în cadrul sistemului (sistemul de manipulare). Fluxul de energie "ieșire" din sistem există sub formă de energie disipată – deșeu.
În fig. 3.5. se prezintă o schemă bloc a unui sistem de fabricație cu evidențierea inclusiv pe subsisteme, a fluxurilor de materiale și informații.
Generalizând relațiile de mai sus și ținând cont de faptul că tot ce intră în sistem trebuie să se regăsească în fluxurile de ieșire din sistem, se poate scrie relația:
(3.4)
unde:
I – matricea de transfer a sistemului
– output-ul fluxului de materiale
– flux de materiale deșeu
În figura 3.7 se prezintă o schemă bloc a unui sistem de fabricție cu evidențierea tuturor fluxurilor de intrare respectiv de iețire. Sistemul prezentat cuprinde două subsisteme, S.S.P. subsistem de prelucrare și S.S.M. subsitem de manipulare.
Fig.3.5 Schema bloc generale a unui sistem de fabricație
Fluxuri de: [NUME_REDACTAT]
Informații
– S.S.P. – Subsistem de prelucrare
– S.S.M. – Subsistem de manipulare
3.2 Sinteza sistemului de fabricație flexibilă robotizată
Dacă prin analiza unui sistem se înțelege studiul unui sistem existent cu scopul de a stabili propietățile lui, sinteza unui sistem reprezintă procesul invers al analizei; se pornește de la premiza că sistemul în cauză să prezinte anumite caracteristici/propietăți și se determină structura sistemului, componentele sale și legăturile necesare dintre componente.
Sinteza sistemului de fabricație flexibilă se face pornind de la sistemul de, rang cel mai mare (superior) spre sistemul de rang inferior și în a doua fază se pornește de la sistemul de rang inferior spre cel de rang superior. Procesul de realizare a sintezei este un proces iterativ, deci ciclul complex – simplu – complex nu este parcurs doar o singură dată.
Sinteza este urmată de proiectare, în cadrul căreia pe baza documentațiilor disponibile, a prevederilor legale și a normativelor în vigoare se definesc toate datele necesare realizării și punerii în funcțiune.
Toate aceste sume de operații (iterative de trecere succesivă de la sistemul complex spre cel simplu și înapoi spre cel complex) se fac pe mai multe variante. Fiecare cerință are din punct de vedere tehnic mai multe soluții care îndeplinesc funcțiile tehnice necesare iar criteriul final de optimizare pentru alegerea soluției este cel economic.
Sinteza pornește de la două situații fundamentale posibile:
-există un sistem care funcționează în condiții clasice sau mecanizate și acest sistem urmează a fi transformat într-un sistem de fabricație flexibilă;
-se pornește de la cerințele impuse și se sintetizează un sistem complet nou.
Fig. 3.6 Organigrama procesului de sinteză a unui SFF robotizată
După cum se observă și din organigrama procesului de sinteză al unui sistem de fabricație flexibilă (fig. 3.6 ) robotizată, procesul este structurat pe două etape și anume:
-sinteza globală care presupune stabilirea tipurilor de structuri posibile ale sistemului de fabricație în cauză, funcție de posibilitățile și variantele de alegere în principiu a componentelor sistemului, variante care sunt supuse unui studiu de eficiență economică preliminară;
– sinteza de detaliu care continuă procesul de sinteză până la alegerea concretă a componentelor de rang minim, precum și stabilirea fluxurilor de materiale energie și informații în schema bloc a sistemului de rang cel mai mare.
Scopul, constă în realizarea unui model complex de optimizare a sintezei SFF pentru turnarea sub presiune a aliajelor neferoase. Obiectele propuse în acest context sunt rezolvarea problemelor de:
-analiză a sarcinii de producție prin prisma sintezei unei flexibilități optime a sistemului de fabricație;
-alegerea variantei de structură optime în cadrul sintezei structurale a sistemului de fabricație flexibilă;
-sinteza optimală a planului de amplasament a sistemului de fabricație flexibilă;
-optimizarea ciclogramelor de funcționare a sistemului de fabricație flexibilă;
-determinarea protocoalelor de funcționare optime prin modelare și simulare a funcționării sistemului de fabricație flexibilă; identificarea erorilor de funcționare, defecțiunilor prin monitorizare și diagnoză automată operațională a sistemului de fabricație flexibilă.
Datele inițiale ale sintezei sistemului de fabricație flexibilă sunt informațiile despre spectrul de piese care urmează să fie prelucrate și previziuni cu privire la structura și volumul producției. Aceste informații sunt prelucrate cu principiile tehnologiei de grup și se obține astfel structura optimă a datelor inițiale de sinteză a sistemului de fabricație flexibilă.
3.3 Analiza oportunității modernizării.
Concentrarea tipologică a unui sistem de producție in vederea constituirii unui SFF modernizat pentru turnarea sub presiune a aliajelor neferoase care va utiliza tehnologia de grup
3.3.1 Prezentarea generală a producției
Se urmărește determinarea produselor cărora li se poate aplica tehnologia de grup în cadrul unui proces de producție existent care are o mare diversitate de produse fără a opri procesul de producție. Spre exemplificare s-a considerat o firmă care conține în nomenclatorul de produse 1200 produse (3750 repere), din care 1200 repere se obțin din turnarea sub presiune a aliajelor neferoase. Pentru fiecare reper se cunoaște volumul anual și se preconizează să se mențină în fabricație 800 de repere turnate sub presiune.
3.3.2 Analiza statistică a producției de repere turnate sub presiune
În cele ce urmează se va efectua o descriere a reperelor pe baza următoarelor criterii:
natura materialului privită ca generatoare de diferențe în caracteristicile utilajului, regimuri tehnologice etc;
greutatea semifabricatului (Gbr – greutate brută care conține repere, rețea de turnare și culee);
Se utilizează două tipuri de materiale neferoase silumniu și zamac cu următoarea structura: 37% siluminiu, 63% zamac. În volumul producției ponderea reperelor turnate funcție de material este:
– repere siluminiu 100 tone/an
– repere zamac 280 tone /an
Ponderea celor două materiale în tone consumate anual este:
repere siluminiu 100 tone/an
repere zamac 280 tone/an
b) Intervalele greutăților brute a semifabricatelor repartizate pe cele două materiale sunt următoarele:
pentru siluminiu 1,5 – 3 kg din care greutatea de 1,6 kg reprezintă 70%;
pentru zamac 0,7 – 2,5 kg din care greutatea de 1kg reprezintă 80%.
c) Criteriul de complexitate împarte volumul producției funcție de material astfel:
– pentu siluminiu:
complexitate mică 60%; complexitate medie 25%; complexitate mare 15%.
– pentru zamac:
complexitate mică 5%; complexitate medie 40%; complexitate mare 55%.
Concluzii:
a) în urma analizei statistice se elimină:
reperele din zamac;
reperele din siluminiu de complexitate mare.
b) Reperele rămase reprezintă 38% din volumul producției adică 900.000 repere/an.
3.3.3 Analiza tehnolgică
În cadrul acestei analize se pornește de la concluziile anterioare, iar criteriile tehnologice după care se efectuează analiza sunt:
numărul de repere turnate simultan;
caracteristicile utilajului.
a) Reperele de turnat se clasifică după numărul de cuiburi din matriță astfel:
2-4 buc/matriță – 230.000 bucăți adică 18,5% din totalul reperelor;
4-6 buc/matriță – 670.000 bucăți adică 81,5% din totalul reperelor.
b) Firma este dotată din punct de vedere tehnologic cu două tipuri de mașini de turnat sub presiune siluminiu:
MTSP-160KN;
MTSP – 250KN.
Repartiția reperelor funcție de forța de injectare cu referință la numărul de repere turnate simultan este următoarea:
2 – 4 buc/matriță pentru 230.000 buc cu MTSP – 160KN;
4 – 6 buc/matriță pentru 100.000 buc cu MTSP – 160KN;
4 – 6 buc/matriță pentru 570.000 buc cu MTSP – 250KN. Concluzii:
a) Se elimină reperele injectate cu matrițe care toarnă simultan:
2-4 repere simultan cu MTSP – 160 KN;
2-4 repere simultan cu MTSP – 160KN.
b) În urma analizei tehnologice reperele rămase în discuție de a face obiectul unei implementări a unui SFF sunt cele ce injectează simultan 4-6 repere pe MTSP de 250 KN care reprezintă 72,2% din producția de repere siluminiu.
3.3.4 Analiza ABC
A treia treaptă de selecție a fost realizată prin analiza ABC, pe coordonatele diversitatea topologică și consumul anual de timp de injectare. Selecția din cadrul tipurilor de produse relativ omogene morfologic și tipologic, a acelora mari consumatoare de timp de prelucrare limitându-se deci, diversitatea tipologică a reperelor executate in sistem.
Pentru analiza ABC sunt necesare următoarele informații:
– intervalul de consum de timp anual [ore];
– număr de repere din interval;
– procent cumulat de tipuri de repere [%];
– consum de timp anual al tipurilor din interval [ore];
– procent cumulat de consum de timp [%].
Literatura de specialitate indică următoarele limite de formare a claselor:
Tabelul 3.1 Limitele de formare a claselor
Interpolând flexibil aceste limite s-au stabilit clasele A, B si C. Se observă că 40 tipuri de repere reprezintă 80,3% din totalul mulțimii analizate (clasa A).
Intervalele B și C nu lărgesc semnificativ gama aptitudinilor sistemului.în consecință nucleul tipologic al SFF va fi constituit din 40 tipuri de repere reprezentate prin:
– 20 tipuri mânere uși (cod. 700);
– 14 tipuri șilduri mânere (cod 701);
– 3 tipuri mânere olivere ferestre (cod 170);
-3 tipuri mânere cremon ferestre (cod 180),
la care se va implementa tehnologia de grup.
CAPITOLUL 4
ANALIZA SUBSISTEMULUI DE ALIMENTARE CU ALIAJ TOPIT A MAȘINILOR DE TURNAT SUB PRESIUNE
4.1 Traiectorii ale cupei de alimentare
Deplasarea cupei acționate de manipulatorul de alimentare cu aliaj, la locul de golire în MTSP se poate face în două moduri: în plan orizontal sau în plan vertical.
În planul orizontal, mișcările pot fi liniare conform fig. 4.1.
Fig. 4.1 Forțele care intervin asupra aliajului la deplasarea liniară
Neajunsul deplasării liniare constă în faptul că atât în faza de pornire cât și în faza de oprire, apar forțele de inerție ale aliajului topit ceea ce face ca poziția acestuia în cupă să fie la un unghi α0 mare față de greutatea ,permițând vărsarea lichidului din cupă.
Pentru a elimina acest neajuns, este necesar ca accelerația la pornire cât și decelerația necesară opririi să aibă valori mici dar, aceste valori măresc timpul de deplasare,ceea ce face ca acest tip de traiectorie să nu fie utilizat decât la greutăți mari ale pieselor(> 10 kg).
O altă mișcare posibilă în plan orizontal este cea de rotație (fig. 4.2).
În zona de pornire, forțele care acționează asupra fluidului sunt: greutatea , forța centrifugă și forța de inerție tangențială. Forța rezultantă (după compunerea forțelor) face un unghi în plan vertical cu greutatea mare.
În zona II, asupra aliajului cu mișcare uniformă în stare topită acționează greutatea și forța centrifugă. Forța rezultantă are un unghi mare față de greutatea G.
În zona III, cu mișcare uniform încetinită, forțele care acționează asupra fluidului sunt: greutatea , forța centrifugă și forța de inerție tangențială . Forța rezultantă care acționează asupra fluidului face un unghi α0 (mare) cu greutatea .
Unghiul α0 în zonele de accelerare (pornire) și decelerare (oprire) demonstrează riscul de vărsare al fluidului din cupă. Pentru micșorarea acestui unghi este necesar a se folosi accelerații cu valori mici dar aceasta implică mărirea timpului de deplasare. Această traiectorie nu este indicată a se folosi.
Fig. 4.2 Forțele care intervin asupra aliajului la rotația în plan orizontal
I – mișcare uniform accelerată;
II – mișcare cu viteză constantă;
III – mișcare uniform încetinită
Se observă că forțele de inerție tangențiale acționează în plan vertical. Forțele rezultante obținute fac un unghi mic apropiat de vectorul ceea ce produce o deplasare mică a masei de fluid. Întrucât riscul de vărsare a aliajului în stare topită este mic, este cea mai utilizată traiectorie.
4.2 Suportul teoretic în vederea optimizării parametrilor cinematici ai manipulatorului de alimentare cu aliaj
Mișcarea cupei de alimentare cu aliaj pentru turnare, se execută în plan vertical și este o mișcare de rotație de 180° alternativă. Cei 180° sunt parcurși astfel: 90° în mișcare uniform accelerată, iar următoarele 90° în mișcare uniform încetinită (decelerare).
Fig. 4.2 Forțele care intervin la rotație în planul vertical
Așa cum se poate observa în timpul deplasării suprafața lichidului topit este plană, cu înclinație variabilă.
La o înclinație α1 a brațului de manipulare a aliajului, unitățile de volum dv1, dv2 au următoarele mărimi constante:
– densitate;
V – volum;
m – masa,
Adică, Fc (forța centrifugă) are aceeași valoare pentru dv1 si dv2. Forța centrifugă egală pentru toate unitățile de volum ale lichidului (din aceleași cosiderente), implică o suprafață plană la suprafața lichidului. Din aceleași motive, la orice unghi de înclinație a brațului (α1….n) suprafața lichidului este plană.
Forțele la care este supus materialul în timpul deplasării (fig 4.3.) sunt:
– – forța rezultantă; [N]
– Fcf – forța centrifugă; [N]
– Fit – forța de inerție tangențială ; [N]
– R – rezultanta forțelor; [N]
– Rx, Ry – proiecțile rezultantei pe axe;[N]
Fig. 4.3. Forțele care acționează asupra unităților de volum în timpul deplasării aliajului topit
S-a notat cu: H, H0 [m] – înălțimea lichidului în timpul deplasării; h [m] – înălțimea lichidului în repaus;Hc [m] – înălțimea cupei.
(4.1)
(4.2)
; (4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
Întrucât:
;
Adică
după integrare relația de mai sus devine:
(4.7)
Pentru,
t=0 , cu – unghi inițial de pornire relația de mai sus devine:
C=-R, adică, (4.8)
Fig 4.4 Acțiunea forțelor asupra lichidului în timpul deplasării
, (4.9)
Eliminând t din relația se obține o funcție :
, (4.10)
Întrucât se cunosc datele inițiale și că:
, rezultă:
, [m] (4.11)
deci:
.[m] (4.12)
4.3. Optimizarea accelerației tangențiale a cupei de transport aliaj în stare topită
Optimizarea înclinației lichidului (Hc-H0)
Condiții inițiale (notații conform fig.4.36 si 4.37):
m – masa lichidului
– densitatea materialului [kg/dm3]…………………………6.7;
D – diametrul cupei de transport [mm]………………………..80;
Hc – înălțimea cupei de transport [mm]……………….………140
R – lungimea brațului de manipulare [mm] …………………500;
H0 max – înălțimea optimă a lichidului în timpul deplasării[mm]…130;
– unghiul cu accelerație tangențială maximă………………..900;
– unghiul inițial de pornire(față de orizontală)…………..se alege.
Pentru a determina accelerația tangențială optimă a cupei,din relația
(4.13)
se obține:
(4.14)
pentru α0=0
Din condiția se obține:
, pentru =0 (4.15)
adică
Modelul matematic cu ajutorul căruia se determină H0 optim devine:
[H0 max=130] (4.16)
S-a obținut astfel înălțimea optimă a lichidului (H0 optim) ca fiind o funcție de două variabile:și .Reprezentând grafic valorile lui H0 funcție de și cu condiția ca H0H0 max și cunoscând masa topiturii se obține optim a manipulatorului de alimentare cu topitură corespunzător pentru H0 .
Exemplu numeric:
Se observă corectitudinea relației de mai sus ;curbele prezintă un maxim (corespunzător unui H0<H0 max) pentru diferite accelerații tangențiale (5) căruia îi corespunde un anumit H0 opt..
4.4. Modelul matematic al operatiei de turnare sub presiune
Mașinile de turnat sub presiune sunt acele mașini de lucru care lucrează prin formare și sunt incluse în sistemele de fabricație flexibilă. Automatizarea funcționării acestor mașini presupune comanda automatată a acționării dispozitivelor care aduc materia primă, a organelor de lucru (pistonul) și a dispozitivelor de evacuare ale obiectelor turnate. Conducerea numerică a axelor unei mașini unelte se realizează în mod similar cu cea a axelor unui robot.
4.4.1 Modelul matematic al programului de manipulare al robotului
Se înțelege prin programul de manipulare (mișcare) al unui robot, succesiunea în timp a secvențelor de manipulare ale obiectului manipulat. Secvența de manipulare (mișcare) se numește trecerea obiectului de la o situare la alta. [5]
Fig. 4.7 Trei situări succesive 0, 1 și 2 ale unui corp
În figura 4.7 s-au reprezentat situările succesive 0, 1 și 2 ale aceluiași corp. Corpului i se atașează sistemul de referință cartezian Oixiyizi ( i = 0,1,2 )
– vectorul de poziție al punctului O1 în raport cu originea O0 a sistemului de referință atașat corpului în poziția O.
– vectorul de pozitie al punctului O2 în raport cu originea O0 .
– vectorul de poziție al punctului O2 în raport cu originea O1 a sistemului de referință atașat corpului 1.
– sunt vectorii de poziție a punctului P aparținând corpului 2 în raport cu O1 respectiv O2. În conformitate cu bibliografia studiată [7] se pot scrie următoarele relații:
Între vectorii și se pot scrie relațiile:
(4.1)
relațiile (4.1) pot fi scrise matricial astfel:
(4.2)
Putem scrie următoarea relație între operatori:
(4.3)
unde operatorul de trecere din sistemul O2 în sistemul O0 este:
(4.4)
unde:
(4.5)
sunt proiecțiile vectorului pe axele sistemului O0.
n2x, n2y, n2z, . . .,a2z sunt proiecțiile versorilor atașați axelor sistemului O2 pe axele sistemului O0.
Operatorul dat de relația (4.4) devine:
(4.6)
Matricea dată de relația (4.6) se numește matrice de situare întrucât descrie situarea sistemului O2 în raport cu sistemul de referință O0 .
4.4.2 Elaborarea modelului matematic a mișcării pistonului mașinii de turnat sub presiune
În cazul propriu-zis al turnării sub presiune fig. 4.8 pistonul (P) acționează asupra aliajului topit aflat în camera de compresie.
Fig. 4.8 Mașina de turnat sub presiune
Se atașează sisteme de referință fiecărei componente a sistemului. Sistemul de referință universal U se cosideră legat de podeaua atelierului în care urmează a se executa operația.
Se urmărește asigurarea în timp a unei poziții relative a pistonului (P) față de duza (D) în conformitate cu procesul tehnologic de turnare sub presiune (determinarea unei legi de mișcare a pistonului P astfel încât să asigure umplerea cavității matriței în conformitate cu procesul tehnologic de turnare sub presiune).
Situarea pistonului (P) față de sistemul (U) poate fi exprimat prin produse de matrici, care descriu trecerile succesive de efectuat prin sistemele de referință intermediare atașate diferitelor compoente ale sistemului de fabricație.
Pentru succesiunea de componente dintre (P) și (U) al atelierului aleasă astfel încât să includă camera de presiune hidraulică (CPh) figura 4.9 este:
(4.7)
Fig.4.9 Situarea pistonului P față de univers U;
a- faza de alimentare cameră de compresie CC; b- faza de sfârșit de umplere matriță
unde:
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat camerei de presiune hidraulică la sistemul universal;
(4.8)
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat capului de forță la sistemul atașat camerei de presiune hidraulică;
(4.9)
(4.10)
Pentru succesiunea de componente dintre piston și sistemul universal al atelierului aleasă ca să includă și matrița figura 4.8 se poate scrie:
(4.11)
unde:
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat cilindrului hidraulic de închidere (CHi) la sistemul de referință (U);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat capului de forță (CFi) la sistemul de referință atașat cilindrului hidraulic de închidere (CHi);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat plăcii mobile (PM) a mașinii la sistemul de referință atașat capului de forță (CFi);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat cochilei (C) la sistemul de referință atașat plăcii mobile (PM);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat mașinii (M) la sistemul de referință atașat cochilei (C);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat camerei de compresie (CC) la sistemul de referință atașat mașinii (M);
– matricea de trecere de la sistemul de referință atașat pistonului la sistemul de referință atașat camerei de compresie (CC);
Egalând relațiile (4.7) și (4.11) rezultă:
(4.12)
unde matricile de transfer (9) pot fi exprimate prin constante cunoscute și anume:
Din relația (4.12) se poate calcula matricea de trecere a capului de forță față de sistemul de referință fix atașat cilindrului hidraulic.
(4.13)
unde:
– variază în funcție de procesul tehnologic de turnare sub presiune și în consecință și matricea va rezulta variabilă în timp iar aceeastă variație trebuie asigurată prin mișcări relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare:
(4.14)
Determinarea poziției pistonului în timpul procesului de turnare sub presiune.
În figura 4.10 este prezentat pistonul și pozițiile sale succesive pe care la ia în timpul procesului de turnare sub presiune
Fig. 4.10 Pozițiile succesive pe care le ocupă pistonul în timpul procesului de turnare sub presiune; 0- poziția inițială a pistonului;
poziția pistonului în momentul când întreg perimetrul camerei de compresie este udat; 2- poziția pistonului în momentul umplerii rețelei de turnare; 3 – poziția pistonului în momentul umperii cavității formei de turnare; 4 – poziția pistonului în urma compactizării aliajului.
În faza de alimentare cameră de compresie cu aliaj topit originea sistemului de axe atașat pistonului se suprapune peste cel atașat cemerei de compresie .
Umplerea matriței se realizează când pistonul se mișcă din poziția 0 în poziția 1 deplasare în urma căreia aliajul topit umple întregul perimetru al camerei de compresie CC.
Matricea de trecere de la sistemul de referință atașat pistonului la sistemul de referință atasat camerei de compresie CC aferent acestei deplasări este:
(4.15)
z1 – depinde de volumul de aliaj topit necesar umplerii cavității formei și a rețelei de turnare și de diametrul pistonului de turnare dp; această deplasare se realizează într-un timp t1.
1-2 deplasarea pistonului în vederea umplerii rețelei de turnare, matricea (4.15) devine:
(4.16)
unde z2 depinde de volumul cavității rețelei de turnare; această deplasare executându-se în timpul t2.
2-3 deplasarea pistonului în vederea umplerii cavității amprentă. Pentru situația când pistonul se găsește în poziția (3) matricea de trecere (4.16) devine:
(4.17)
z3 – depinde de volumul cavității amprentă; deplasarea realizându-se într-un timp t3;
Mișcarea pistonului din poziția 3 în poziția 4 corespunde procesului de îndesare a aliajului. Matricea (4.17) pentru situarea pistonului în poziția 4 devine:
(4.18)
z4 – depinde de contracția aliajului și de gradul de complexitate al piesei, deplasarea este caracterizată de timpul t4;
În general matricea de trecere de la sistemul de referință atașat pistonului P la sistemul de referință atașat camerei de compresie CC este o matrice ce exprimă o translație în lungul axei Oz.
( I = 1,4 ) (4.19)
unde t este timpul necesar umplerii cavității amprentă care împreună cu timpul de menținere stabilește durata de menținere a piesei în matriță.
4.5 Elaborarea metodei de modelare pe calculator a funcționării pistonului mașinii de turnat sub presiune ca și o axă de translație a unui robot.
Prezentarea dispozitivului de injecție
Sistemul convențional, figura 4.13 este caracterizat de notabile mase de fluid în mișcare. În momentul opririi bruște a pistonului (datorită umplerii cavității formei de turnare cu aliaj topit) energia cinetică a fluidului și cea a maselor în mișcare, provoacă un vârf de presiune necontrolabil asupra metalului topit.
Valoarea instantanee și ridicată a acestei presiuni asupra metalului încă în stare lichidă poate depășii forța de închidere a utilajului și provoacă o eliminare de aliaj topit din matriță (stropire) prin deschiderea acesteia.
Fig.4.13 Dispozitiv de injecție convențional;
m1-masa pistonului; m2- masa cilindrului de injecție; m3- masa multiplicatorului; m4- masa lichidului în mișcare; m5- masa lichidului din acumulator
4.6 Prezentarea structurii axei de translație orizontală pentru pistonul mașinii de turnat sub presiune
Axa hidraulică de translație orizontală figura 4.14 este compusă din motorul hidraulic liniar (MHL) cu dublă acțiune format din cilindrul 1, pistonul 2, tija 3, sistemul de ghidare TG legat de tija 3, prin flanșa 4. Se alege soluția de acționare cu un servosistem electrohidraulic, utilizând un distribuitor proporțional de tip 4WRZ25E325-31/6A24NEZ4/D 2M, produs de firma Rexroth, având schema de principiu prezentată în figura 4.12 și o interfață de comandă prezentată în figura 4.15. Pentru urmărirea poziției și vitezei de deplasare, s-a utilizat un traductor de deplasare liniar de tip incremental și o interfață cu calculatorul prezentată în paragraful 4.13.
În această situație controlul deplasării, respectiv cel al vitezei se poate face prin controlul debitului de ulei care se scurge prin distribuitorul proporțional spre motorul hidraulic. Soluția propusă face posibilă conducerea axei de translație prin calculator conform procesului tehnologic de turnare sub presiune.
Schema de conducere se poate realiza în mai multe variante. Conducerea axelor se realizează în general de către dispozitive electronice numite procesoare de axă, existent la nivelul fiecărei axe în parte. Aceste procesoare sunt subordonate generatorului de traiectorie de la care primesc mărimile prescrise. Schema bloc principală este prezentată în figura 4.15.
Fig.4.14 Schema de conducere a pistonului mașinii de turnat sub presiune ca o axă de robot
Fig.4.15.Schema bloc de conducere a unei axe de robot
Programul îndeplinește următoarele funcții:
preia de la consolă poziția programată pentru deplasarea axei orizontale;
preia de la sistemul de măsurare poziția curentă a axei;
calculează viteza și accelerațiile deplasării din poziția și timpul măsurat;
calculează valorile impuse ale poziției, vitezei și accelerației;
calculează erorile dintre mărimile impuse și cele măsurate;
elaborează pe baza unei legi de reglare mărimile de comandă;
transmite mărimile de comandă electromagneților distribuitorului hidraulic proporțional.
Având în vedere faptul că elementul acționat este un motor hidraulic liniar ca și traductor de poziție s-a folosit o riglă optică tip LI120.
4.7. Schema de conducere a axei hidraulice de translație
Sistemul este prezentat în figura 4.16. În cele ce urmează se prezintă elementele componente ale schemei de conducere a axei hidraulice de translație.
Calculator PC, care rulează programul de supraveghere al întregului proces. În program se înscriu cotele la care trebuie să se deplaseze punctul caracteristic al pistonului în conformitate cu procesul tehnologic și viteza cu care trebuie să se deplaseze.
Cursorul traductorului de poziție, este solidar cu elementele fixe ale sistemului.
Rigla traductorului de poziție, se deplasează împreună cu pistonul și generează impulsurile de măsurare corespunzătoare.
Cilindrul motorului hidraulic linear cu tijă unilateră.
Tija motorului hidraulic.
Traductor de presiune TP1.
Traductor de presiune TP2. Cele două traductoare de presiune oferă informații despre presiunea în sistem deci implicit legate de forțele ce acționează asupra pistonului. Traductoarele de presiune pot măsura presiuni de la 0 la 400 bari, cu o precizie de 1 bar și dau un semnal în curent, proporțional cu presiunea, de la 0 la 20mA.
Fig.4.16 Schema de conducere a axei hidraulice de translație
Distribuitorul proporțional, reglează viteza pistonului motorului hidraulic în funcție de curentul scurs prin bobinele de comandă, de la 0 la 20mA.
Sursa de energie hidraulică, formată din rezervor, pompă acționată de motorul electric, filtru de ulei, supapă de limitare a presiunii.
Placa de achiziție (PCI1200), asigură conversia A/D (analog/digital)și D/A (digital /analog) cât și contorizarea semnalelor de măsurare și respectiv de comandă.
Circuitul de conversie poziție, realizează transformarea semnalului din formă sinusoidală în TTL (semnal treaptă unitate), și decelerarea sensului de mișcare.
Circuit de conversie presiune, realizează transformarea semnalului curent (4-20mA) în semnal tensiune (0-10V).
Circuitul interfață de comandă, realizează transformarea semnalului analogic tensiune (0-10V) în semnal curent (0-20mA).
Cama de sincronizare, stabilește punctul de nul al sistemului de măsurare.
Contactorul de sincronizare, realizează împreună cu cama de sincronizare preluarea punctului de nul al poziționării.
Pe placa de achiziție s-au notat cu litere latine, ieșirile și intrările de la dispozitivele folosite cu următoarea corespondență:
DAC0OUT – ieșire analogică de comandă “0”.
DAC1OUT – ieșire analogică de comandă “1”.
ACH6- intrare analogică pe canalul 6 de la traductorul de presiune TP1.
ACH7- intrare analogică pe canalul 7 de la traductorul de presiune TP2.
PC7- intrare digitală de la cotactorul de sincronizare.
GATE1 semnal de validare a contorizării pentru contorul C1.
GATE2 semnal de validare a contorizării pentru contorul C2.
CLKB1-contorizare impulsuri de poziție în sens +
CLKB2-contorizare impulsuri de poziție în sens -.
4.8 Subsistemul de măsurare a deplasării relative a elementelor cuplelor cinematice conducătoare (axei). [6]
Pentru măsurarea deplasării pe axa orizontală s-a utilizat un subsistem de măsurare realizat cu ajutorul unui traductor de deplasare (riglă optică incrementală) de tip LI120 fabricat de firma Opted din Bulgaria. Rigla furnizează 2 semnale sinusoidale denumite în cele ce urmează U1 și U2, defazate între ele cu +/- 900 în funcție de sensul mișcării. Semnalele trec succesiv prin valoarea maximă, respectiv minimă în cursul deplasării liniare.
Pentru calculul valorii numerice a poziției elementelor mobile se utilizează un program înscris în memoria calculatorului PC, care primește valorile necesare calculului, de la placa de achiziție PCI1200. Legătura între rigla optică și placa de achiziție se realizează cu ajutorul unei plăci de interfață care are rolul de a transorma cele 2 semnale sinusoidale U1 și U2 furnizate de rigla optică într-un șir de impulsuri care va fi transmis plăcii PCI1200.
Placa de achiziții contorizează impulsurile CKL pentru a obține valoarea numerică a poziției elementului mobil al axei. Placa de interfață mai furnizează de asemenea încă două semnale: GATEB1 (stânga) cu rol de a activa contorul CLKB1 și respectiv GATEB2 (dreapta) pentru a contoriza impulsurile la deplasări în sens opus activând contorul CLKB2 de pe placa de achiziție.
Circuitul care dă informații cu privire la sensul deplasării (semnale GATEB1 și GATEB2 ) este realizat cu un dispozitiv bistabil de tip D urmat de porți de tip “Și NU”
Pentru sincronizarea mișcării axei ( preluarea punctului zero al axei ), este folosit un switch amplasat pe axă și un circuit bistabil realizat din două porți “ Și NU” cu rolul de a elimina oscilațiile ce apar la acționarea switch-ului.
Pentru a realiza o comandă corectă a contoarelor de pe placa de achiziție (CLKAB1 și CLKAB2) impulsurile de numărare sunt întârzâiate cu un circuit RC.
4.9. Subsistemul de comandă
Electromagneții distribuitorului proporțional sunt comandați în curent având intensitatea în domeniul 0-0.8 A, în timp ce placa de achiziție poate furniza semnale de tensiune între 0-10V. Pentru realizarea acestei comenzi se utilizează o placă de interfață a circuitului de comandă care să realizeze conversia necesară. Schema plăcii de interferență este prezentată în figura 4.18.
Tensiunile de comandă Uc1 respectiv Uc2 sunt furnizate de către canale de ieșire analogice ale plăcii de achiziție PCI 1200: DAC0OUT și DAC1OUT. Valorile tensiunilor sunt calculate, pe baza legilor de reglare, în cadrul softului de comandă, și sunt generate de către circuitele plăcii de achiziție.
Fig.4.18 Circuit de interfață de comandă a distribuitorului proporțional REXROTH
4.10 Subsistemul de contorizare și conversie A/D respectiv D/A
Conversiile A/D (analog/digital) respectiv D/A (digital/analog) sunt realizate de către o placă de achiziție PCI1200, de fabricație [NUME_REDACTAT], cuplată la magistrala calculatorului PC. Placa de achiziție este dotată cu un set de biblioteci de funcții dezvoltate pentru programare în limbajul Visual C++ și cu două contoare 82C53 dintre care unul (82C53B) este folosit în scopul contorizării semnalelor primite de la o sursă externă (circuitul de interfață al riglei de măsurare).
Contorul 82C53B poate contoriza două semnale, pe intrările CLKB1 și CLKB2. pornirea și oprirea contoarelor se realizează prin comutarea semnalelor la intrările GATEB1 și GATEB2. caracteristicile de timp ale contoarelor sunt următoarele: durată semnal Clock – 380 ns minim; durată semnal Gate – 100 ns minim.
Al treilea contor B0 al circuitului 82C53B este folosit pentru a furniza baza de timp pentru calculul vitezei în programul de comandă.
Pentru generarea semnalelor de comandă sunt folosite două canale de ieșiri analogice. Tensiunile de ieșire sunt date de un convertor D/A pe 12 biți. Pentru comanda electromagneților distribuitorului proporțional s-a folosit modul unipolar, cu un domeniu de tensiuni de la 0 la 10V. Incrementul de conversie D/A în acest caz va fi de:
ceea ce asigură o precizie corespunzătoare ( LSB = Least significant bit ).
CAPITOLUL 5
FLEXIBILITATEA SISTEMELOR DE FABRICAȚIE ROBOTIZATE LA TURNAREA SUB PRESIUNE
5.1 Sinteza optimală a ciclogramelor de funcționare în SFF
5.1.1 Definiția ciclogramei
Un sistem de fabricație flexibilă este un sistem care poate executa automat un spectru discret de sarcini de fabricație. În acest scop, componentele sistemului desfășoară operații de prelucrare și manipulare într-o succesiune determinată de programul de comandă al SFF.
Operația de prelucrare executată la o stație sau un post de lucru, este activitatea în cursul căreia se modifică una sau mai multe dintre caracteristicile de: formă, dimensiune, stare de agregare, proprietăți fizice și chimice, aspect al suprafețelor obiectului de lucru.
Activitatea unui echipament de prelucrare constă în acțiunea nemijlocită a sculelor asupra piesei în scopul schimbării controlate a caracteristicilor acesteia. Cuplul activ sculă-piesă este acționat de fluxul de energie și comandat de fluxul de informații care intră la echipamentul de prelucrare.
Activitatea unui echipament de manipulare reprezintă totalitatea acțiunilor controlate de schimbare a stării de mișcare și de modificare în timp a situării subansamblelor acestuia.
Subsistemul format din echipamente care desfășoară activități comandate la momente determinate de timp este componenta luată în considerare în sinteza ciclogramei.
Starea unei componente a sistemului reprezintă starea de funcționare/nefuncționare a subansamblelor acestuia; se exprimă matematic printr-o variabilă binară (1,0) sau prin valoarea unei variabile care semnifică atributul dobândit temporar de către componentă ca urmare a desfășurării unor activități în sistem.
Ciclograma de funcționare a SFF este reprezentarea grafică, unidimensională în raport cu timpul, a succesiunii și desfășurării activităților fiecărei componente a SFF.
Elementele importante ale graficelor sunt de natură temporară (momentul începerii activității unei componente, durata și momentul terminării activității) și de natură logică:
– terminarea unei activități a unei componente face posibilă derularea unor alte activități a altor componente;
– o activitate nu poate începe dacă nu s-au terminat una sau mai multe activități care o preced din punct de vedere logic.
Interblocările sunt instrucțiuni introduse în programul de comandă, care condiționează derularea unei anumite activități a componentei pe baza unor semnale provenind de la senzori, valorilor unei variabile de stare sau comenzilor de la subsistemul de comandă ierarhic superior.
5.1.2 Sinteza ciclogramelor sistemelor de fabricație flexibilă
Sinteza ciclogramei de funcționare are ca scop:
– determinarea valorilor temporare (cicluri de funcționare a componentelor, timp petrecut în sistem);
– determinarea valorilor de eficiență economică a sistemului (coeficienți de utilizare ai mașinilor, capacitatea productivă a sistemului);
– deciziile în legătură cu sinteza de detaliu a subsistemelor (capacități optime de transfer/manipulare);
– sinteza interblocărilor din cadrul sistemului de fabricație.
Etapele de sinteză a structurii sistemului, ciclogramei de funcționare și a planului de amplasament sunt iterative și se condiționează reciproc.
Se consideră pentru exemplificare un mecanism camă rotitoare – tachet în mișcare de translație.
Legea de mișcare s=s() reprezentată în fig.5.1 evidențiază stările de mișcare staționare a tachetulu. Proiectand punctele de trecere de la o stare la alta pe axa timpului se obține ciclograma:
Pentru sistemele de fabricație flexibilă ciclogramele se întocmesc ierarhizat pentru fiecare componentă a subsistemului, dupaă care pentru întregul sistem.
Ordinea de întocmire a ciclogramelor,este de la sistemele de nivel inferior spre cele de nivel superior (subsistem – sistem – metasistem)
Pentru întocmirea ciclogramelor atât pentru componentele subsistemului de prelucrare, cât și pentru componentele subsistemului de manipulare se impune determinarea timpilor de prelucrare pornind de la itinerariul tehnologic și regimuri de prelucrare, respectiv a timpilor de manipulare pornind de la deplasările de efectuat și vitezele cu care se realizează aceste deplasări.
Pentru determinarea timpilor de manipulare este necesară o prealabilă întocmire a layout–ului (planului de amplasament) sistemului de fabricație flexibil, din care rezultă lungimile deplasărilor de realizat pentru manipularea obiectului de lucru (sculei).
Sinteza planului de amplasament al unui SFF este o etapă importantă a procesului de sinteză a SFF prin care se determină pozițiile relative reciproce ale tuturor subsistemelor componente și ale întregului sistem față de spațiul de instalare al acestuia.
Fig.5.1 Ciclograma sistemului tachet-camă (stările de mișcare-staționare)
5.2 Optimizarea planuluide amplasament
Datele inițiale necesare realizării planului de amplasament sunt:
– informații privind itinerarul tehnologic al pieselor de prelucrat în SFF;
– cote de gabarit și cote de instalare ale echipamentelor;
– informații privind spațiile de lucru și direcțiile de acces la echipamente;
– date referitoare la spațiul de instalare (rețele de alimentare cu energie electrică, hidraulică, pneumatică, stâlpi de susținere, anexe etc.).
Se disting două cazuri posibile de definire a itinerariului tehnologic în SFF:
a) cazul itinerariului unic, în care există o relație univocă între operația tehnologică și mașina de lucru, traseele pieselor în sistem sunt unice; în acest caz mașinile de lucru se amplasează în ordinea dată de succesiunea operațiilor aferente itinerarilor tehnologice ale majorității pieselor;
b) cazul itinerarilor posibile, stabilite dinamic în cursul funcționării SFF.
Informațiile importante rezultate în urma realizării sintezei planului de amplasament sunt:
– definirea spațiului necesar întregului sistem;
-definirea cotelor de legătură dintre echipamente, și a lor față de spațiul de instalare;
-stabilirea temei de proiect pentru componentele care se execută în funcție de necesități;
Definirea direcțiilor de acces la sistem a operatorului uman pentru întreținere, programare, încărcare, descărcare obiecte de lucru.
S-au stabilit următoarele reguli cu caracter general pentru sinteza planului de amplasament al SFF:
1) dispunerea în spațiu a subsistemelor între care există relații de transfer de obiecte de lucru se va face astfel încât să se poată realiza transferul de material de la un echipament la altul;
2) amplasarea componentelor SFF se va face astfel îcât să se evite coliziuni în timpul funcționării între acestea, respectiv între acestea și obiectele de lucru (piese, scule, dispozitive etc.) manipulate în cadrul sistemului;
3) subsistemele componente ale SFF se vor situa în spațiu astfel încât lungimea traiectoriilor parcurse de punctele caracteristice ale obiectelor în sistem să fie minime;
4) amplasarea echpamentelor se va face astfel încât lungimile conductelor și a conductorilor pentru alimentare cu energie și a conductorilor purtători de informație racordate la diferite componente ale sistemului să fie minime;
5) se vor lua măsuri de evitare a influențelor reciproce defavorabile ale subsistemelor fie prin amplasarea lor corespunzătoare, fie prin mijloace specifice;
6) planul de amplasament se va realiza astfel încât să se respecte normele în vigoare cu privire la zonele de acces ale operatorilor umani.
În cadrul procesului general de sinteză a SFF, informațiile rezultate din sinteza ciclogramei de funcționare și datele provenind din planul de amplasament se influențează și se determină reciproc; modificările majore aduse ciclogramei de funcționare pot conduce la necesitatea reluării sintezei planului de amplasament și invers. Cele două etape ale procesului de sinteză se desfașoară iterativ până la obținerea unei ciclograme optimale de funcționare și a unui plan optim de amplasament.
Optimizarea planului de amplasament este la rândul ei un proces iterativ și presupune minimizarea volumului ocupat de sistem în condițiile unei funcționări corespunzatoare a tuturor echipamentelor și a sistemului în ansamblu.
5.2.3 Definirea spațiilor de lucru și de coliziune ale elementelor componente ale SFF
Primele trei reguli ale sintezei planului de amplasament al SFF sunt legate de situările și mișcările componentelor sistemului și ale obiectelor de lucru. Pentru aplicarea regulilor amintite se necesită definirea riguroasă a noțiunilor de “punct caracteristic“, “spațiul de lucru“ și “spațiul de coliziune“.
Se întelege prin “punct caracteristic“ un punct aparținând unui obiect care servește la definirea poziției în spațiu la un moment dat a obiectului respectiv dacă situarea obiectului se definește cu ajutorul unui sistem de referință atașat lui; punctul caracteristic este originea sistemului de referință.
În cazul în care spațiul de lucru este definit în legatură cu un anumit echipament, spațiul de lucru se va denumi “spațiul de lucru al echipamentului“. În mod obișnuit acest punct se alege la punctul de intersecție a axelor mecanismului de orientare (“wrist – point“); uneori punctul caracteristic se consideră poziționat pe bancul dispozitivului de prehensiune sau pe scula manipulată de robot.
Se definește spațiul de lucru operațional aferent unui anumit echipament component al SFF cu mulțimea pozițiilor posibile ale punctelor caracteristice ale unui anumit obiect manipulat sau prelucrat în cadrul sistemului.
Se definește spațiul de lucru operațional în condițiile fabricației flexibile aferent unui anumit echipament component al SFF mulțimea pozițiilor posibile ale punctelor caracteristice, ale tuturor obiectelor manipulate sau prelucrate în cadrul sistemului, funcționând în condițiile flexibilității.
Dacă se consideră un obiect de lucru cilindric Obi manipulat de un robot (fig.5.2), poziția punctului caracteristic al obiectului Pi se definește în raport cu punctul caracteristic atașat robotului Pw (“wrist – point“) prin intermediul vectorului Wrpi, depinzând de pozițiile relative ale cuplelor cinematice conducătoare ale mecanismului de orientare de construcție și dimensiunile dispozitivului de prehensiune DP de forma și dimensiunile obiectului. Spațiul de lucru al echipamentului (robotului) se descrie prin relația:
(5.1)
unde: q1, q2, q3 sunt parametri poziționali relativi ai elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale mecanismului generator de traiectorie.
Fig. 5.2 Relația dintre punctul caracteristic atașat robotului Pw și atașat obiectului de lucru [NUME_REDACTAT] de lucru operațional al robotului manipulând obiectul Obi se definește prin relația:
(5.2)
unde q4, q5, q6 sunt parametri poziționali relativi ai elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale mecanismului de orientare.
Spațiul de coliziune al unui obiect este mulțimea pozițiilor punctelor materiale care alcătuiesc obiectul.
Spațiul de coliziune al unui echipament reprezintă totalitatea spațiilor de coliziune ale obiectelor făcând parte din echipamentul în cauză și a spațiilor de coliziune ale obiectelor manipulate sau prelucrate de echipamentul respectiv în decursul unui ciclu de funcționare.
Spațiul de coliziune poate fi static când obiectele cărora le aparțin punctele materiale sunt fixe în raport cu sistemul de referință al incintei în care sunt instalate echipamentele și dinamic dacă aceste obiecte sunt în mișcare.
Spațiul de coliziune operațional instantaneu al unui echipament este mulțimea pozițiilor la un moment dat ale punctelor materiale aparținând obiectelor din componența echipamentului, respectiv care sunt manipulate sau prelucrate de echipamentul în cauză.
Spațiul de coliziune operațional instantaneu al unui echipament în condițiile fabricației flexibile este mulțimea spațiilor de coliziune instantanee la momentul considerat aferent prelucrării respectiv manipulării tuturor obiectelor de lucru ale echipamentului în cauză în cadrul sistemului în condițiile flexibilității.
Spațiul de coliziune al unui obiect este mulțimea pozițiilor punctelor materiale care alcătuiesc obiectul.
Se consideră obiectul Obi din fig. 5.3. Punctul caracteristic Pi al obiectului Obi s-a ales pe axa cilindrului, la jumătatea înălțimii acestuia. Sistemul de referință atașat obiectului este PIXIYIZI cu originea în Pi și axa PIZI în coincidență cu axa cilindrului. Spațiul de coliziune al obiectului Obi în raport cu sistemul de referință atașat obiectului este descris de vectorul de poziție al unui punct material Mij aparținând obiectului ,
(5.3)
unde,
spațiul de coliziune al obiectului Obi în raport cu sistemul de referință al incintei în care se găsește obiectul ,este descris de vectorul conform relației:
(5.4)
unde este matricea de trecere de la sistemul de referință Pixiyizi la sistemul de referință Ox0y0z0.
Relația (5.4 )definește spațiul de coliziune dinamic al obiectului în decursul ciclului de funcționare.
Fig. 5.3 Obiectul căruia i se calculează spațiul de coliziune
5.3 Analiza și sinteza structurii sistemului de fabricație flexibilă de turnare sub presiune cu cameră rece
În fig.5.4 este prezentat un sistem flexibil de turnare sub presiune care utilizează o mașină de turnat sub presiune cu cameră rece.
Sistemul este compus din:
– 1 mașină de turnat sub presiune;
– 2 piesă turnată;
– 3 manipulator de alimentare cu aliaj în stare topită;
– 4 cuptor cu aliaj topit;
– 5 bandă de transfer;
– 6 manipulator pentru curățat suprafețele active ale matriței;
– 7 depozit de transfer;
– 8 mașină de debavurat;
– 9 mașină de dezmembrat;
– 10 sistem de măsură și control;
– 11 bandă de transportat culea la topit.
În sistemul prezentat se pot identifica trei subsisteme de ranguri diferite.
Sistemul de rang R+2 este constituit din subsistemele sistemului de fabricație (poz.1,3,5,6,8,9,10) precum și unele organe de lucru ale acestora: oblonul de închidere deschidere al mașinii de turnat sub presiune(a cărui stare este sesizată de senzorii de existență S1,S2), dispozitivul de prehensiune al manipulatorului 6 (senzorii de existență S3,S4), sistemul de măsură și control 10, mașină de debavurat 8,mașină de dezmembrat 9 cu senzorii de existență S11, S9, S8,manipulatorul de alimentat cu aliaj 3 cu senzorii tactili de capăt de crsă S5, S6 și manipulatorul pentru curățat suprafețele matriței cu senzorul tactil de capăt de cursă S7.
Sistemul de rang R+1 este constituit din subsistemul de prelucrare SSP și de manipulare SSM.
Sistemul de rangul R este chiar sistemul de fabricație flexibilă SFF.
Piesele care pot fi prelucrate cu ajutorul acestui sistem de prelucrare robotizat sunt acele piese care necesită prelucrarea prin turnare sub presiune,dezmembrare și debavurare. În tab5.1 este prezentat itinerariul tehnologic al pieselor.
Tabelul 5.1 Succesiunea operațiilor din cadrul SFF de turnare sub presiune C.R.
Acest sistem se pretează la producția de serie mică și unicate.
Fluxurile care străbat sistemul sunt prezentate în fig.5.5
Fig.5.5 Schema bloc a SFF de turnare sub presiune C.R.
Fluxurile care străbat sistemul sunt:
•informație : SCSFF toate subsistemele;
•energie:mediu toate subsistemele;
•material:R1 MTSP;C R1;MTSP R2;R2 DC;
R2 SMC;R2 MD;R2 Mdebav.R2 DT;
mediu C.
Matricea de structură a sistemului este:
(5.5)
Flexibilitatea acestui sistem decurge din faptul, că acesta se adaptează ușor la piesele din aceași grupă, dar cu itinerar tehnologic diferit. Spre exemplu pentru o producție de serie mică și unicate la piesele care nu necesită debavurare, prin suprimarea mașinii de debavurat (poz 8), sistemul de fabricație flexibilă robotizat are configurația din fig. 5.6.
La o producție de serie mare și masă pentru piese care nu necesită prelucrarea de debavurare și de dezmembrare structura sistemului de fabricație flexibilă robotizat de turnare sub presiune este prezentată în fig.5.7. Sistemul s-a obținut prin suprimarea poz. 8, 9 adică mașina de dezmembrat și cea de debavurat.
Luând în considerație regulile impuse la proiectarea unui LAYOUT se prezintă în fig.5.8 LAYOUT-ul proiectat pentru sistemul de turnare cu cameră rece.
Fiecărui component al SFF-ului i s-a atașat un sistem de axe pentru poziționarea corectă a acestuia raportat cu sistemul de axe al halei. Sistemele de axe atașate componentelor sunt:
-al halei O0;
-al mașinii de turnat sub presiune O1,
-al robotului de transfer R2, OR2;
-al cuptorului cu aliaj în stare topită O4;
-al sistemului de transfer O5;
-al sistemului de curățat matrița O6;
-al manipulatorului de încărcat MTSP-ul cu aliaj Or1;
-al mașinii de dezmembrat O9;
.al mașinii de debavurat O8,
-al sistemului de măsură și control O10.
5.4 Sinteza planului de amplasament (LAYOUT) al componentelor sistemului de turnare cu camera rece
Tabelul 5.2 Coordonatele componentelorSFF de turnare sub presiune cu cameră rece
Fig. 5.8 Planul de amplasamemt al SFF de turnare sub presiune cu cameră rece în tab.5.2 sunt prezentate coordonatele fiecărui component pe axele X și Y.
5.5 Sinteza ciclogramei sistemului de fabricație flexibilă de turnat sub presiune cu cameră rece
Ciclograma sistemului de fabricație flexibilă de turnare sub presiune cu cameră rece prezentată în fig.5.8 indică succesiunea operaților elementelor componente ale SFF-ului și anume:
-sistemul de comandă al SFF, comandă sistemul de comandă al RI2 care acționează dispozitivul generator de traiectorie al acestuia DG de retragere al lui RI2 din spațiul de lucru al mașinii de turnat sub presiune MTSP ;
-oblonul OB al mașinii de turnat sub presiune primește comanda de închidere și prin senzorul S2 transmite sistemului de comandă al SFF de terminarea acestei operații;
-sistemul de comandă al SFF transmite simultan comanda de închidere a mașinii de turnat sub presiune adică pregătirea ei pentru turnare și comanda de umplere a cupei cu aliaj și descărcarea ei în cilindrul mașinii de turnat, operații sesizate de senzorii S5.S6;
-după operația efectivă de turnare prin senzorul S1 se comandă de către SC al SFF deschiderea oblonului OB;
-sistemul de comandă al SFF comandă RI2 care prin dispozitivul generator de traiectorie DG intră în spațiul de lucru al mașinii de turnat sub presiune iar cu ajutorul senzorului S3 certifică prezența piesei turnate în dispozitivul de prehensiune DP al RI2;
-sistemul de comandă al RI2, comandă manipulatorul R2 spre subsistemul de măsură și control care prin senzorul S11 "transmite" sistemului de comandă al SFF existența turnării complete;
-sistemul de comandă al RI2 comandă deplasarea piesei turnate la mașina de debavurat și sesizează execuția operației prin senzorul S9;
-sistemul de comandă al RI2,comandă deplasarea piesei turnate cu ajutorul RI2 la mașina de dezmembrat și sesizează execuția operației prin intermediul senzorului S8;
-sistemul de comandă al RI2 acționează dispozitivul generator de traiectorie al RI2 spre banda de transfer al lui SFF2 (alt SFF de prelucrare sau de depozitare);
-senzorul S10, transmite sistemului de comandă al SFF informația de reluare a ciclului.
În tabelul 5. 3 sunt prezentați timpii operaților de prelucrare și manipulare precum și ordinea de desfășurare a acestora. Funcție de greutatea pieselor turnate adică de timpul de turnare,operațile pot fi succesive sau pot să se suprapună pe anumite zone. Important este ca timpul total al unui ciclu de turnare să aibă o valoare cât mai mică.
Fig. 5.9 Ciclograma unui SFF de turnare sub presiune cu cameră rece
Tabelul 5.3 Timpii operaților de prelucrare și manipulare
În continuare am prezentat structura unui manipulator pneumatic utilzat pentru operația de extragere a rețelei turnate din matriță și evacuarea acesteia.
Robotul realizează o mișcare de translație orizontală, acționată de către un motor pneumatic liniar cu piston, o mișcare de translație perpendiculară coaxială cu axa mașinii de turnat,pentru prinderea, respectiv extracția piesei din matriță, prin intermediul unui modul de micromișcare de translație.
După extragerea piesei din matriță, se continuă mișcarea orizontală, cu piesa turnată prinsă în dispozitivul de prehensiune, urmează o rotație cu 90°, realizată de către mecanismul de orientare, eliberarea piesei pe o bandă transportoare, după care se revine în poziția inițială.
Manipulatorul prezentat în desenul de ansamblu, are o structură TR+MM, adică translație – rotație și o micromișcare plus efectorul final.
Mișcarea de translație orizontală – extensie braț se realizează de catre motorul pneumatic liniar cu piston. Deplasarea și viteza este urmărită prin intermediul unui traductor liniar.
Dispozitivul de prehensiune dispune și de un modul de micromișcare liniară acționat de către un motor pneumatic liniar cu piston.
CAPITOLUL 6
ANALIZA ECONOMICĂ A INTRODUCERII ROBOTIZĂRII SISTEMELOR DE FABRICAȚIE DE TURNARE SUB PRESIUNE
Analiza economică a robotizării poate fi făcută în două moduri:
a) – prin verificarea condiției de rentabilitate și calculul economiilor anuale rezultate în urma introducerii dispozitivelor
b) – prin determinarea lotului optim de produse pentru mai multe variante care pot realiza aceași operație de fabricație.
a. Analiza economică prin verificarea condiției de rentabilitate
Condiția de rentabilitate a introducerii robotizării poate fi exprimată prin relația:
(6.1)
iar economiile anuale se pot calcula cu relația:
[lei/an] (6.2)
în care:
E=eficacitatea economică (economia lei/buc.);
Na=programul anual de fabricație (buc./an);
QD=cheltuieli anuale (lei/an) – ocazionat de introducerea și exploatarea roboților și dispozitivelor considerate;
Na=reprezintă una din datele initiale de proiectare dată in tema de proiectare
Eficiența economică se poate calcula cu relația:
[lei/buc] (6.3)
în care:
R=reprezintă regia secției de fabricație în care se va utiliza sistemul;
NT1 și NT2 =normele de timp pentru operație, înainte și după introducerea robotizării [ore];
S1 și S2 = retribuțiile tarifare orare ale muncitorilor, înaine și după introducerea robotizării [lei/oră];
C1 și C2 =costurile mașinii-unelte, înainte și dupa echipare cu roboți și dispozitive de transfer robotizării [lei];
D1 și D2 =duratele normate în ore ale mașinii unelte pâna la amortizare robotizării [ani];
E1 și E2 =costurile energiei consumate (după puterile instilate) [lei];
La calculul normelor de timp NT1 și NT2, se ia în considerare pe lângă reducerea timpilor de bază ca urmare a intensificării regimurilor de turnare, a prelucrării simultane a mai multor piese, și reducerea timpilor auxiliari pentru extragerea și depozitarea pieselor turnate, pentru comenzile manuale, pentru măsuratori și reglări la dimensiune, etc., aceștia fiind afectați substanțial de dispozitive și roboți.
Trebuie să se țină cont de retribuțiile tarifare orare S1 și S2, care se diferențiază și anume, cu cât sistemul de turnare este mai automatizat, cu atât S2 scade în raport cu S1, întrucât sistemul realizează în mod automat anumite faze care reclamă muncă mai puțin calificată.
Cheltuielile QD ocazionate de introducerea și exploatarea roboților și dispozitivelor constau în cheltuieli de proiectare, executie, întretinere, exploatare și amortizare. Ele se exprimă prin relația:
[lei/buc] (6.4)
în care:
KP=0,1…0,5 – reprezintă coeficientul cheltuielilor de proiectare;
KA=1/Dex reprezintă coeficientul de amortizare;
Dex=durata estimată de exploatare a dispozitivelor și roboților măsurată în ani;
Dex=1 an – pentru dispozitive simple;
Dex=2 ani – pentru dispozitive de complexitate medie;
Dex=5 ani – pentru dispozitive de complexitate ridicată;
KE=coeficient de exploatare;
KE0,005-0,3
CD=costul estimativ al roboților și dispozitivelor
Costul roboților și dispozitivelor poate fi determinat pe bază de deviz antecalculat, postcalculat, asimilări de prețuri de la sisteme asemănatoare, a prețurilor de catalog.
Costul dispozitivelor și roboților se poate calcula și aproxima cu relația:
CD= (6.5)
în care:
=numărul total de repere (din tabelul de componență al desenului de ansamblu);
=costul mediu al unui reper component;
Costul mediu al unui reper component poate fi determinat statistic, pe baza costurilor postcalculate ale unor instalații asemănătoare, sau prin adaptarea unor valori aproximative.
X – lei/reper pentru repere simple;
1,30X – lei/reper pentru repere de complexitate medie;
2X – lei/reper pentru repere de complexitate ridicată;
Analiza economică prezentată are avantajul că eficacitatea economică rezultă direct în RON/an, după ce obligă proiectantul la un studiu valoric, al tuturor elemenelor de ordin tehnic, organizatoric și economic ale instalațiilor introduse.
Pe baza celor prezentate anterior se face un calcul economic concret pentru introducerea robotizării la un sistem de fabricație de turnare sub presiune la S.C. FERONERIA S.A. Arad.
– economie de personal
La turnarea clasică din cele observate în practică și din documentația tehnică se necesită următorul personal pentru deservirea unei mașini de turnat sub presiune:
Un operator pentru manipularea oalei de turnare;
Un operator pentru extras piese turnate și ungere matriță;
Un operator pentru dezmembrare rețea turnată.
Considerând două schimburi sunt necesari 6 operatori umani.
După robotizare aceste operații sunt executate în mod automat de către roboți și manipulatoare și se necesită următorul personal:
Un operator uman la 2 mașini de turnare ca supraveghetor, respectiv pentru 2 schimburi 2 operatori.
Rezultă o economie de forță de muncă:
6-2=4 operatori umani
Considerând salariul mediu pe economie rezultă:
4x1800x12=86400 lei/an
În același timp crește productivitatea muncii prin reducerea timpilor auxiliari, eliminarea pauzelor, eliminarea oboselii, a monotoniei, etc.
În același timp se îmbunătățește și calitatea produselor prin urmărirea procesului de turnare.
În urma cronometrării timpilor necesari operațiilor tehnologice de turnare în sistemul clasic (înaintea robotizării) se obțin timpii din tabelul 6.1
Tab. 6.1 timpi de lucru pe ciclu
Timpii necesari pentru operațiilor de turnare și manipulare după robotizarea sistemului de turnare și reprezintă 22,2 s/ciclu.
Reprezintă o creștere a productivității de cca 68%.
Salariile negociate ale operatorilor sunt:
– înaintea robotizării: S1=9,3 lei/oră;
– după robotizare: S2=8,2 lei/oră.
Regia secției de fabricație este: Kr=200%.
Prețul de catalog al unei mașini de turnat sub presiune de 170tf este
C1=C2=120000 Euro=528000 lei (curs BNR 4,4 lei=1EUR)
Durata de amortizare D1=D2=10 ani =24000 ore
Prețul robotului CR=45000 Euro=198000 lei
Na=900000 repere/an producția anuală de repere.
Pe baza acestor date se calculează eficiența economică utilizând relația (6.3):
Economiile anuale, relația (6.2)
Amortizarea robotizării:
Din cele prezentate rezultă că robotizarea mașinilor de turnat sub presiune este eficientă iar cheltuielile se pot recupera într-o perioadă relativ scurtă.
b.Analiza economică prin determinarea lotului optim de produse
Determinarea eficienței economice se va face cu urmatoarea formulă:
[lei/buc] (6.6)
unde:
R – reprezintă regia secției de fabricație în care se va utiliza instalația robotizată;
NTi și NTj – timpi normați în cele doua variante comparate (ore);
Si și Sj – retribuțiile tarifare orare în cele doua variante comparate [lei/buc.];
Determinarea lotului critic de piese, pentru care variantele comparate au aceeași eficiență economică, se determină cu relația:
[buc/an] (6.7)
în care:
Ei,j =este eficiența economică determinată cu relația (6.6);
Ci și Cj –se determină cu relația:
[lei/an] (6.8)
și sunt cheltuielile anulate pentru dispozitiv, unde:
Kp=0,1…0,5-reprezintă coeficientul cheltuielilor de proiectare;
KE=coeficient de exploatare(=0,005…0,3);
Dex=durata de amortizare a robotului, conform celor prezentate anterior;[ani]
Se face comparația între situația inițială (i) și soluția robotizată (j).
Considerând aceleași valor pentru elementele relațiilor ca și la punctul (a) se obține din relația (6.6):
Din relația (6.8) rezultă:
Din relația (6.7) rezultă:
Rezultă că varianta robotizată devine eficientă de la un număr de 688000 buc/an.
Deoarece producția anuală de repere a sistemului robotizat este de 900000 buc/an se justifică robotizarea mașinii de turnare sub presiune analizată la S.C. FERONERIA S.A. Arad.
[NUME_REDACTAT] cadrul proiectului, pe baza lieteraturii de specialitate studiate am realizat o sistematizare a materialelor privind structura proceselor de fabricație și a sistemelor de fabricație. În continuare am prezentat unele realizări privind procesul de turnare sub presiune a aliajelor neferoase prezentând principalele mașini de turnare sub presiune și roboții aferenți. Am prezentat o schemă bloc privind organizarea procesului de sinteză a unui sistem flexibil de fabricație robotizat pe baza căruia am făcut o analiză statistică a producției de repere turnate sub presiune luând ca exemplu S.C. FERONERIA. S. A. Arad, societate care are în fabricație numeroase repere turnate din aluminiu și aliajele acestuia (siluminiu și zamac). Am realizat o analiză a subsistemului de alimentare cu metal topit a mașinilor de turnat sub presiune, determinând în final înălțimea optimă a metalului lichid din oala de alimentare. În continuare, am analizat cinematic mișcarea pistonului mașinii de turnat realizând și modelarea acestuia prin similitudine cu o axă de translație hidraulică a unui robot. Pe baza cărora se poate realiza optimizarea operațiilor de turnare sub presiune pe criteriul umplerii cavităților și a densității materialului. Am prezentat în continuare sinteza unui sistem de fabricație robotizat, precum și eficiența economică privind robotizarea mașinilor de turnat sub presiune.
BIBLOGRAFIE
[1] Abrudan I – Sisteme flexibile de fabricație, concepte de fabricație și management, Ed. , 1996;
[2] Dragomir R. – Contribuții la sinteza optimală a sistemelor de fabricație robotizate în turnătorii – Teză de doctorat – Timișoara 2005
[3] Dubinin N.: Turnarea in forme metalice. Ed. Tehnica, Buc. 1980;
[4] Ienciu M., Panait N., Moldovan P., Buzatu M.; – Elaborarea și turnarea aliajelor neferoase speciale, E.D.P. Bucuresti 1984;
[5] [NUME_REDACTAT].,Țarcă R, Blaga F, Tripe V A – Sisteme de fabricație flexibilă – [NUME_REDACTAT] din 1999
[6] [NUME_REDACTAT] Corbu, [NUME_REDACTAT], – [NUME_REDACTAT], Ed. Universității din Oradea, 2003
[7] [NUME_REDACTAT] A. – Proiectarea dispozitivelor – Universitatea din Oradea 2002
[8] [NUME_REDACTAT] A. – Optimizarea constructivă și funcțională a modulelor cu acționare hidraulică din construcția roboților – [NUME_REDACTAT]
[9] [NUME_REDACTAT] Cătălin – Bazele roboticii – curs – Universitatea din Oradea
[10] [NUME_REDACTAT] Cătălin – Sisteme de fabricație flexibilă și sisteme CIM – curs – Universitatea din Oradea
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Procesele de Fabricare (ID: 1905)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.