4. NOŢIUNI GENERALE DE AUTOMATIZAREA, CIBERNETIZAREA ŞI ROBOTIZAREA PROCESELOR TEHNOLOGICE CUPRINS 4.1. Automatizarea proceselor tehnologice 4.2. Cibernetizarea proceselor tehnologice 4.3. Robotizarea proceselor industriale 4.1. Automatizarea proceselor tehnologice
Realizarea unor produse de calitate presupune controlarea riguroasă a procesului de producţie din punct de vedere al variabilelor de proces. Abaterea de la acest regim se datorează unor perturbaţii. Sesizarea acestor perturbaţii şi anularea efectelor induse se poate realiza prin conducerea automat ă a proceselor tehnologice. Prin automatizare se înţelege echiparea unor instalaţii cu dispozitive tehnice care să asigure desf ăş ăşurarea operaţiilor în condiţii optime, f ăr ă intervenţia nemijlocită a operatorului uman. Ansamblul format din procesul supus automatizării şi dispozitive tehnice ce asigur ă automatizarea acestuia constituie un sistem automat . Dispozitivele tehnice reprezintă elemente de automatizare care îndeplinesc funcţii specializate de comparaţie, semnalizare, comandă, reglare, blocare, dispecerizare etc. Sistemele automate (SA) se clasifică după mai multe criterii astfel: a) după felul ac ţ iunii: iunii: - cu comandă continuă; - cu comandă discontinuă; b) după scopul urmărit : - cu comandă program automată pentru operaţii sau cicluri de fabricaţie, funcţionând pe baza unor informaţii programate; - cu reglarea automată a variabilelor comandabile (timp, temperatur ă, presiune, debit etc); - cu semnalizarea automată ce funcţionează pe baza unui cod convenţional; - cu avertizare automată la depăşirea unor limite ale valorilor de siguranţă; - de blocare automată ; - de protecţie automată pentru prevenirea depăşirii limitelor admise. c) după structura sistemului automat : - convenţionale, cu regulatoare automate pentru menţinerea constantă a unor parametri care pot fi: cu referinţă fixă sau mobilă; - cu structur ă evoluată ce realizează funcţii de conducere în concordanţă cu anumiţi indicatori de performanţă, cu ajutorul calculatoarelor. Sistemul de reglare automată, SRA (fig.4.1), cuprinde schema bloc a sistemului cu elementele componente, legăturile dintre aceste componente, mărimile ce se transmit prin aceste legături şi sensul de transmitere a acestor mărimi.
În principiu, în sistemele de reglare automată se pleacă de la un semnal de intrare, i, care este o mărime comandată prestabilită de operatorul uman. Această mărime este comparată prin diferenţă cu valoarea r a factorului reglat, rezultată prin convertirea mărimii reale e p în semnal de aceeaşi natur ă cu i. Rezultă abaterea a = i-r , cu valori pozitive, negetive sau 0. Semnalul corespunzător abaterii a are o energie cu mult mai mică decât cea necesar ă acţionării elementului de execuţie, prin urmare semnalul este amplificat prin intermediul unui dispozitiv de amplificare, intr ă în elementul de execuţie şi de aici este trimis ă procesului de reglat sub formă de mărime efectivă de execuţie, m. Din proces rezultă mărimea de ieşire e p, ce reprezintă parametru reglat. Prin intermediul blocului fictiv de introducere a perturba ţiei N acţionează componenta mărimii perturbatorii (e z ) asupra componentei mărimii de ieşire din proces (e p). Prin aplicarea legii suprapunerii cauzelor şi efectelor, mărimea efectivă de ieşire din circuit devine e= e p + e z . Mărimea de ieşire din proces este preluată de traductorul M , situat pe calea de reac ţ ie a circuitului de reglare prelucrată de acesta şi transmisă ca mărime de reacţie r . În elementul de comparaţie C din regulatorul automat situat pe calea direct ă a circuitului intr ă mărimea i şi mărimea de reacţie r , ambele de aceeaşi natur ă fizică. Diferenţa dintre ele reprezintă mărimea abaterii, a. z
Regulator automat
i
calea directă
C
R
e
Element de execuţie
c
a
N
A
e
m
c’ E
e
P
Traductor T calea de reacţie
r
r’
M
e
Fig. 4.1. Sistem de reglare automată C – element de compara ţ ie; R - regulator automat; A1 - amplificator de execu ţ ie; E - elementul de execu ţ ie; P – obiectivul condus (utilaj/instala ţ ie); N - bloc fictiv de introducere a perturba ţ iei; M – traductor; A2 - amplificator de reac ţ ie; i - mărimea de intrare ; a - abaterea; c - mărimea de comand ă ; c’ - mărimea de comand ă amplificat ă; m - mărimea de execu ţ ie; e z - componenta mărimii de ie şire datorat ă perturba ţ iei; e p - componenta mărimii de ie şire din proces; e - mărimea de ie şire e = e z + e p; r’ - mărimea de reac ţ ie a traductorului.
Diferenţa i - r =a conduce la următoarele situaţii: a = 0 → i = r utilajul/instalaţia lucrează în regim sta ţionar, situaţie în care numai calea directă este în acţiune; a ≠ 0 utilajul/instalaţia lucrează în regim nestaţionar, situaţie în care intervine sistemul de reglare automată pe calea de reacţie. Elementele constitutive ale unui SRA sunt: Elementul de execuţie care exercită o acţiune directă asupra obiectivului, astfel încât să se asigure atingerea valorii prescrise i pentru m ărimea e p. Este alcătuit din: - servomotorul - partea de acţiune ce primeşte mărimea de comandă c şi produce o mărime intermediar ă de natur ă mecanică, de exemplu, un element electric, hidraulic, pneumatic; - organul de reglare care este partea de acţiune ce primeşte mărimea intermediar ă (c’ ) şi o transformă în mărime efectivă de execuţie, m. Regulatorul automat este elementul ajustabil ce asigur ă funcţionarea globală a procesului la parametrii de performanţă doriţi (prestabiliţi), eliberează mărimea de comandă c atât pe baza informaţiilor din proces, cât şi pe baza celor exterioare. Aceste informaţii sunt prelucrate pe baza anumitor legi sau instruc ţiuni fixe. Clasificarea regulatoarelor: a) După dependenţa între mărimea de acţionare, a şi mărimea de comandă, c regulatoarele sunt: propor ţionale (P), integrale (I) (în special cu dispozitive hidraulice), propor ţional integrale (PI), propor ţional derivative (PD), propor ţional integral derivative (PID). b) Din punct de vedere constructiv, regulatoarele sunt: pneumatice, hidraulice, electronice, mixte. Regulatoarele automate electronice prezintă o serie de avantaje faţă de celelalte, respectiv pot fi realizate în construc ţii miniaturizate, semnalele electronice se transmit cu viteze foarte mari, iar cuplarea cu calculatoarele electronice se face foarte uşor. Atât la regulatoarele electronice, cât şi la cele pneumatice raportul dintre valoarea maximă şi minimă în cadrul gamei de variaţie este acelaşi (5:1), ceea ce permite conectarea lor la scheme mixte, electrono-pneumatice, prin intermediul unor convertoare. Unificarea semnalelor asigur ă următoarele avantaje: - subansamble interschimbabile, ceea ce permite realizarea unui număr mare de scheme de automatizare cu un număr mic de subansamble; - uniformitatea panourilor şi simplificarea exploatării; - caracter de universalitate, care permite reglarea diferitelor mărimi din cadrul diferitelor instalaţii tehnologice. Traductorul reprezintă dispozitivul care transformă marimile fizice ce vin de la utilajul/instalaţia P în mărimi de obicei electrice, ce pot fi transmise la distan ţă. Se clasifică: - după natura semnalului informaţional emis: pneumatice, hidraulice, electrice; - după detectoarele utilizate: - cu detectare numerică (element elastic, plutitoare etc.); - cu detectare electrică / electronică (electrozi, termoelectrozi); - cu detectare prin radia ţ ie. - după parametrul măsurat: de presiune, temperatur ă, debit , pH , compozi ţ ie etc.
Amplificatorul este un dispozitiv care modifică ordinul de mărime a unităţilor înregistrate f ăr ă a interveni în comanda propriu-zisă. Amplificarea se face electronic cu tranzistori sau magnetic prin bobine, pentru că mărimile amplificate sunt intensitatea sau tensiunea electrică. Releele sunt dispozitive mai complexe decât amplificatoarele, ele modificănd mărimile de intrare şi ieşire în ambele sensuri şi în acest fel intervin în comand ă. Când mărimea de ieşire se abate de la nivelul programat, releul cuplează sau decuplează un anumit contact care readuce mărimea de ieşire la nivelul programat. Sistemele de reglare automat ă se caracterizeaz ă prin: - sensibilitate, - intervalul minim de timp în care trebuie să varieze mărimea care se reglează pentru ca sistemul automat să se declanşeze; - rapiditate - capacitatea sistemului automat de a r ăspunde cât mai rapid la acţiunea perturbaţiilor; - stabilitate - capacitatea de amortizare a oscilaţiilor mărimii de intrare, când au loc variaţii bruşte ale acesteia; - precizie referitoare la domeniul de variaţie al oscilaţiilor. 4.2. Cibernetizarea proceselor tehnologice
Procesele cibernetizate sunt procese tehnologice în care o parte sau toate activităţile de conducere sunt îndeplinite de un calculator, care se numeşte calculator de proces. El este un calculator universal prevăzut cu interfe ţ e de proces, ce sunt dispozitive precum multiplexoare, demultiplexoare, amplificatoare, decodoare, blocuri de comandă, convertoare care interacţionează cu procesul tehnologic. Interfeţele de proces au funcţii de memorare a informaţiei emise sau transmise de sau către perifericele de proces (consola, memoria exterioar ă, imprimanta, blocul de afişare), de control şi comandă secvenţială a schimbului de informaţii cu perifericele, de adaptare a semnalelor prin care sunt transmise informa ţiile ca nivel format. Conectarea unui calculator într-un proces tehnologic se poate face în configuraţii de sistem “off-line” şi “on-line”. Configuraţia “off-line” se prezintă schematic astfel: proces
⇄
om
calculator
⇄
Calculatorul nu are interfeţe cu procesul tehnologic. Legătura dintre calculator şi proces este realizată de operatorul uman, care primeşte informaţiile de la proces şi le introduce în calculator sub forma datelor de intrare. Calculatorul prelucrează aceste date conform unui model matematic existent în memoria sa şi afişează rezultatele ca valori de optimizare. Acestea sunt preluate de operatorul uman şi introduse manual în instalaţie. Acest tip de configuraţie se foloseşte atunci când condiţiile procesului tehnologic se modifică lent, numărul de informaţii ce trebuie prelucrate este redus, nu sunt probleme deosebite de siguranţă a instalaţiei. Calculatorul poate lucra pentru mai multe procese. Configuraţia “on-line” se prezintă schematic astfel: proces
calculator
⇄
⇄
om
Calculatorul are interfeţe cu procesul condus, de unde primeşte informaţiile pe care le prelucrează şi ia decizii de modificare a valorilor unor parametri.
Această configuraţie permite modificarea mărimilor de referinţă ale unor bucle de reglare convenţională şi de conducere numerică directă. Legarea “on-line” permite calculatorului să verifice efectele comenzilor pe care le dă deoarece primeşte informaţii asupra mărimilor de ieşire din proces. Calculatorul înlocuieşte direct şi complet regulatoarele convenţionale specifice (SRA), care, din considerente de fiabilitate, sunt păstrate ca elemente de rezervă. Calculatorul interconectat în procesul tehnologic primeşte direct informaţii de la acesta asupra mărimilor de intrare, prelucrează datele şi dirijează procesul prin modificarea valorilor mărimilor de execuţie, m În mod constructiv, regulatorul conven ţ ional , ca element fizic, este înlocuit prin “module software”, iar funcţiile sale sunt îndeplinite prin “programe şi subprograme” care reprezintă codificarea algoritmului de conducere. Tehnicile moderne sunt cunoscute sub denumirea de tehnici de conducere adaptivă, în cadrul cărora conducerea optimală reprezintă un caz particular. În sistemul de conducere adaptivă, prin intermediul unui proces de identificare care utilizează variabile de intrare, de ieşire şi de stare ale procesului condus se determină modelul curent al procesului respectiv. Blocul de decizie, pe baza unei strategii predeterminate stabileşte modul în care este necesar ă modificarea parametrilor regulatorului în scopul satisfacerii criteriului de adaptare a procesului prestabilit. Sistemele de conducere numerică directă a proceselor tehnologice sunt sisteme complexe, exacte şi precise. În figura 4.2. este prezentată schema de principiu a reglării numerice directe a unui proces tehnologic (P) cu n bucle de reglare . Spre deosebire de un sistem de reglare convenţională (SRA), care are un regulator propriu pentru fiecare buclă de reglare, într-un sistem de reglare numeric ă directă (DDC) există un ansamblu de calcul cuprinzând calculatorul numeric (CN) comun tuturor buclelor de reglare din sistem, care suplineşte rolul detectoarelor de eroare şi a regulatoarelor din sistemul convenţional.
c1
E1 E2 E3
c c
M
M
P
e e e
M1 M2 M3
r
M
r
Demultiplexor
Multiplexor
CN
CA c'
r' CN
Imprimantă
r
Calculator numeric
Memorie externă
Consolă operator de proces
Imprimantă
Fig. 4.2. Schema de principiu a reglării numerice directe a unui proces tehnologic M 1 , M 2 , M 3 – traductoare; E 1 , E 2 , E 3 - elemente de execu ţ ie; CNA - convertor numeric analogic; CAN - convertor analog numeric; MA - memorii analogice; e1 , e 2 , e 3 - mărimi de ie şire (parametrii regla ţ i); r 1 ,r 2 , r 3 - semnale analogice; r’ - mărimi de ac ţ iune număr binar; c’ - mărime de comand ă analogică; c1 , c2 , c3 - mărimi de comand ă; m1 , m2 , m3 – mărimi de execu ţ ie. M ărimile de ie şire din proces (parametrii reglaţi) e1 , e2 ... en sunt transformate prin intermediul traductoarelor M 1 , M 2 ... M n în semnale analogice r 1 , r 2 ... r n . Multiplexorul (selector de intrare) este dispozitivul care asigur ă conectarea semnalului dorit din proces la intr ările calculatorului prin intermediul convertorului
analogic numeric (CAN). CAN - convertorul analogic numeric este un circuit electronic care asigur ă transformarea unui semnal analogic aplicat la intrare într-o succesiune de numere binare corespunzătoare valorii amplitudinii semnalului (r 1 , r 2 ... r n → r´ ). CNA - convertor numeric analogic este un circuit electronic care asigur ă transformarea numărului aplicat la intrare într-un semnal analogic cu amplitudinea corespunzătoare numărului respectiv.
Demultiplexorul cuplează pe rând elementele de execuţie la calculator. Mărimea de comandă sub formă de semnal analogic este transmisă elementelor de execuţie, E 1 , E 2 ,.., E n , ca mărimi de execuţie m1 , m2 , m3 .. Între demultiplexor şi elementele de execuţie sunt intercalate memoriile analogice ( MA) care memorează valorile mărimii de comandă “c” între două testări succesive. Avantajele utilizării calculatoarelor la conducerea proceselor tehnologice sunt: - vizualizarea sub formă numerică prin blocul de afişaj numeric a unui număr de informaţii despre parametrii procesului; - detectarea rapidă a defecţiunilor apărute la aparatele de măsur ă şi control; - eliminarea lucr ărilor de rutină din activitatea operatorilor tehnologici (registre, bilanţuri) prin imprimantă; - optimizarea corelată în timp real a tuturor proceselor din instala ţia reglată
automat. Automatizarea par ţială sau totală a procesului tehnologic asigur ă: - precizie şi uniformitate în funcţionarea utilajelor; - produse de calitate; - condiţii mai bune de muncă, reducându-se efortul fizic, controlul permanent asupra noxelor; - creşterea productivităţii muncii, indicator foarte important în rezultatele economico-financiare (prin reducerea numărului de persoane); - consumuri specifice de materii prime, materiale, energie în limitele prevăzute de documentaţia tehnică. 4.3. Robotizarea proceselor tehnologice 4.3.1. Clasificarea şi structura roboţilor Robo ţ ii industriali pot fi definiţi ca maşini automate, uşor programabile, care pot efectua lucr ări simple, repetitive şi care posedă capacitatea de percepere şi interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum şi de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru. Roboţii industriali înlocuiesc operatorul uman în aplicaţii cu grad înalt de
repetabilitate, solicitând eforturi fizice deosebite, în mediu agresiv etc. Roboţii industriali sunt maşini cu utilizare universală sau specială, cu mai multe grade de libertate ale căror posibilităţi de lucru se realizează cu ajutorul unui braţ sau mai multor braţe ce sunt prevăzute la capetele lor cu mecanisme articulate. Ei se pot dota cu dispozitive de apucat, scule, dispozitive de măsurat sau alte mijloace de producţie şi pot efectua operaţii de comandă, de manipulare şi de producţie. Mişcările roboţilor industriali trebuie să fie programabile şi conduse de un calculator. Roboţii industriali se clasific ă după mai multe criterii: 1. Operaţiile efectuate: roboţi pentru operaţii de ridicare şi transport, pentru producţie şi universali; 2.După capacitatea de percepţie şi interpretare a semnalelor din mediul exterior şi de adaptare la condiţiile de lucru roboţii sunt: - din genera ţ ia zero - manipulatoare care execută succesiuni de operaţii fixe, predeterminate; - din genera ţ ia I execută operaţii simple pentru producţia cu programare elastică (vopsire, sudur ă, turnare, manipulări grosiere etc) şi se pot reprograma uşor;
- din genera ţ ia a II-a sunt roboţi programabili numeric, care pot executa câteva operaţii succesive; - din genera ţ ia a III-a sunt cu autonomie de funcţionare şi cu orientare în spaţiu; - din genera ţ ia a IV-a, dotaţi cu senzori, care le permit posibilitatea de adaptare la mediul de lucru. Ei îşi aleg singuri traiectoria optimă a mişcărilor efectuate, folosind informaţiile primite de la sistemul senzorial; - din genera ţ ia a V-a, dotaţi cu inteligenţă artificială şi posibilitate de decizie. În cazul unor operaţii cu condiţii grele de lucru, cum sunt cele de sudare, turnare, vopsire, montaj, roboţii industriali sunt eficien ţi în cazul producţiei de serie mare. Efectul economic al introducerii roboţilor industriali într-un proces tehnologic este determinat şi de frecvenţa schimbării nomenclaturii pieselor. Cu cât frecvenţa este mai mică şi volumul de producţie mai mare dar limitat la serie medie, eficien ţa economică este mai mare. Pe măsur ă ce microelectronica se dezvoltă se ajunge la introducerea roboţilor industriali şi manipulatoarelor în condiţiile automatizării producţiei, care totuşi nu trebuie f ăcută în bloc. Eficienţa roboţilor cere ca cheltuielile de întreţinere şi de reparaţii pe un an să nu depăşească 10% din costul robotului. În medie, acelaşi procent trebuie să fie şi pentru cheltuielile cu piese de schimb pe toată perioada de funcţionare a robotului. Introducerea roboţilor industriali în procesele industriale determină: - eliberarea muncitorului de munca monotonă, reducerea suprasolicitării acestuia din cauza căldurii, prafului, aerosolilor, substanţelor nocive.; - creşterea securităţii muncii; - mărirea rentabilităţii producţiei datorită siguranţei ridicate în funcţionare; - scăderea timpului întreruperilor producţiei datorate defectării utilajului. În cazul roboţilor el se situează sub 2% din timpul total al unei perioade; - creşterea gradului de încărcare a maşinilor; - scăderea stocurilor de piese semifabricate cu aproximativ 90%. Roboţii industriali îndeplinesc una sau mai multe func ţii de executare, percepţie, comunicare (schimb de informaţii)şi decizie. Pentru realizarea acestor funcţii, roboţii prezintă: - sistem mecanic cu ajutorul căruia efectuează anumite mişcări; - sistem de acţionare a celui mecanic; - sistem senzorial prin care comunică cu mediul şi se adaptează la acesta; - sistem de comandă şi programare. Sistemele de acţionare a roboţilor sunt pneumatice, hidraulice şi electrice. Acţionarea pneumatică prezintă dezavantajul că pentru for ţe şi presiuni mari nu asigur ă o încărcarea uniformă ce influenţează negativ asupra preciziei mişcărilor. Este folosită pentru acţionarea manipulatoarelor destinate transferului pieselor uşoare. Acţionarea hidraulică este folosită pentru for ţe şi presiuni mari, deoarece asigur ă precizia mişcărilor datorită compresibilităţii foarte mici aproape nulă. Acest tip de acţionare se foloseşte pentru roboţii programabili. Acţionarea electrică este cea mai utilizată datorită posibilităţilor de reglare uşoar ă şi a simplei conversii în energie mecanică, în timp ce acţionarea hidraulică necesită două conversii : transformarea energiei electromotoare în energie hidraulică şi a acesteia în energie mecanică. Motoarele folosite sunt motoare electrice şi motoare de curent
continuu. Pentru adaptarea vitezelor la operaţiile de îndeplinit, motoarele sunt cuplate cu un reductor. Manipulatoarele şi roboţii au o construcţie modular ă care permite schimbarea rapidă a destinaţiei lor. Fiecare parte constructivă formează un modul cu acţionare independentă. Manipulatoarele sunt construite în coordonate carteziene (fig. 4.3a) iar roboţii în coordonate cilindrice (fig. 4.3b.) şi sferice (fig. 4.3c.)
z
y z
z
y z
x a)
b) Fig. 4.3 Tipuri de roboţi
c)
a-manipulator în coordonate carteziene; b-robot în coordonate cilindrice; c-robot în coordonate sferice.
4.3.2. Implementarea robotilor industrial într-un proces tehnologic
Integrarea roboţilor industriali într-un proces tehnologic necesită un studiu prealabil, din care să rezulte avantajele utilizării lor. Acest studiu cuprinde următoarele etape: 1. Analiza condi ţ iilor de lucru la locul de muncă propus pentru robotizare. Potrivit operaţiei care se execută se stabilesc toate fenomenele fizice şi chimice ce apar în perioada desf ăşur ării lucrului şi care influenţează negativ sănătatea muncitorului. Dintre acestea menţionăm: emisia de radiaţii ultraviolete sau radioactive, zgomote care depăşesc pragul de nocivitate, degajări de substanţe toxice etc. 2. Analiza concordan ţ ei toleran ţ elor pieselor şi semifabricatelor prelucrate pe utilajele existente cu cele înscrise în desenele de execuţie. Orice abatere de la toleranţele stabilite de proiectant va conduce fie la erori de prelucrare ale produsului, fie la imposibilitatea execuţiei lui, deoarece activitatea robotului se desf ăşoar ă după program şi nu poate înlătura abaterile. Dacă utilajul pe care se efectuează operaţiile anterioare robotizării nu asigur ă precizia dimensională necesar ă, se impune înlocuirea lui cu unul care îndeplineşte această
condiţie. Înlocuirea trebuie să aibă la bază un calcul tehnico-economic care va ţine seama şi de dezvoltarea ulterioar ă a întreprinderii. 3. Descompunerea opera ţ iei în fazele, mânuirile şi mi şcările cele mai simple, pentru ca robotul să preia obligaţiile corespunzătoare gradului de automatizare adoptat. 4. Stabilirea succesiunii fazelor, mânuirilor şi mi şcărilor astfel ca într-o poziţie a semifabricatului să se execute cât mai multe faze ale operaţiei, cu scopul asigur ării unei precizii ridicate şi creşterii productivităţii muncii. Mânuirile şi mişcările se vor succeda astfel încât efectuarea lor să se suprapună cu fazele operaţiilor, pentru micşorarea timpului auxiliar. 5. Stabilirea numărului de robo ţ i şi felul acestora. În funcţie de felul şi succesiunea fazelor, mânuirilor şi mişcărilor se alege numărul de manipulatoare şi roboţi, pentru a se obţine o normă de timp mică . Un număr mare al acestor utilaje face robotizarea neeconomică, deoarece presupune o investiţie mare care se amortizează într-o perioadă lungă. Numărul mare de roboţi se justifică în cazul robotizării unei secţii de producţie, deoarece prin creşterea productivităţii se micşorează corespunzător timpul de amortizare al investiţiei. 6. Stabilirea planului de desf ăşurare în timp a opera ţ iei ofer ă posibilitatea cunoaşterii momentului efectuării fiecărei faze, mânuiri şi mişcări, a gradului de încărcare al fiecărui manipulator şi robot şi a poziţiei în care se află semifabricatul pentru fiecare fază. Acest plan se foloseşte şi pentru precizarea locurilor de depozitare a semifabricatelor şi pieselor, astfel ca manipulatorul şi robotul să poată avea acces la ele într-un timp scurt. 7. Calculul timpului de baz ă, t b, al fiecărei faze se efectuează cu relaţia: c t b = , min , v unde: c - este valoarea parametrului caracteristic al fazei executate de robot. De exemplu: lungimea cordonului de sudur ă, volumul materialului turnat, volumul de vopsea, distanţa parcursă de elementul efector pentru operaţia de montaj ş.a.; v - viteza cu care robotul execută faza respectivă, care poate fi: viteza de sudare, mm/min; debitul de metal turnat, m3/min; debitul de vopsea depusă, m3/min; viteza de deplasare, m/min. 8. Calculul timpului auxiliar , ta se efectuează pentru fiecare fază şi reprezintă timpul consumat cu apucarea, ridicarea, aducerea semifabricatului la locul de muncă, aşezarea şi fixarea acestuia. În timpul auxiliar se vor include perioadele necesare reglării robotului care execută fazele respective. 9. Calculul normei de timp, Nt Norma de timp a operaţiilor executate de roboţii industriali se calculează cu relaţia: T p N t = + t b + t a , min , n unde: TP - este timpul de pregătire a operaţiei (min) n - volumul de producţie Timpul de pregătire se refer ă la timpul consumat la instalarea robotului cu reglarea lui în vederea efectuării operaţiei. El se consumă o singur ă dată pentru tot
volumul de producţie stabilit.Când volumul de producţie este mare, primul termen al relaţiei anterioare se poate neglija. 10. Calculul normei de produc ţ ie (N p) a unei perioade de timp (schimb, zi, lună). Norma de producţie a unui schimb se calculează cu relaţia: 480 N p = , buc / schimb , N t unde 480 sunt minute într-un schimb de lucru Norma de producţie evidenţiază posibilitatea creşterii capacităţii de producţie la operaţia respectivă. În funcţie de ea se pot organiza celelalte locuri de muncă sau atelierul, secţia, întreprinderea. 11. Calculul timpului de amortizare a roboţilor şi manipulatoarelor. Numărul anilor de amortizare na se calculează cu relaţia: C na = , S − Ci unde: C - este costul roboţilor şi manipulatoarelor folosite la operaţia în studiu, lei; S - retribuţiile anuale ale muncitorilor eliberaţi prin robotizare, lei/an; Ci - cheltuieli cu între ţinerea roboţilor şi manipulatoarelor, lei/an. 12. Compararea condi ţ iilor şi rezultatelor operaţiei înainte şi după robotizare. Din comparaţie se deduc avantajele şi dezavantajele implementării robotizării în procesul de producţie. În aprecierea introducerii roboţilor în procesul de producţie, un rol important îl are uşurarea activităţii fizice a muncitorului şi prevenirea îmbolnăvirii sale. 4.3.3. Eficienţa economică a robotizării proceselor industriale
Aplicaţiile roboţilor industriali se orienteaz ă spre două direcţii. O primă categorie de aplicaţii se refer ă la situaţiile în care utilizarea este aproape singura alternativă posibilă, de exemplu, operarea în regiuni îndepărtate sau unde omul nu poate pătrunde f ăr ă riscuri (cercetări spaţiale, explor ări marine de mare adâncime), operarea în medii de lucru ostile pentru sănătatea omului (unele sectoare din industria metalurgică, chimică, minier ă, nuclear ă etc.), în medicină. O a doua categorie de aplicaţii ale roboţilor se refer ă la acelea în care utilizarea roboţilor reprezintă o soluţie tehnică de organizare şi automatizare a procesului tehnologic. Din această categorie fac parte utilizarea roboţilor industriali în opera ţii de sudare, forjare, turnare, vopsire, asamblare, automatizarea depozitării, sortării etc. Introducerea roboţilor în procesele de producţie ridică cu anumite procente eficienţa economică a automatizării şi implementarea lor schimbă radical însăşi concepţia de structurare a proceselor tehnologice. Roboţii cu grad ridicat de flexibilitate în mişcări confer ă proceselor tehnologice posibilitatea de adaptare rapidă şi eficientă sub raport economic, la realizarea de operaţii noi, în succesiuni diferite. Ca efect se obţine o reducere considerabilă a cheltuielilor şi termenelor de pregătire a fabricaţiei de produse cu caracter de serie mică sau unicate. Astfel, se deschide calea organizării tehnologice flexibile, în care devine preponderentă specializarea-produs în opoziţie cu specializarea-proces cunoscută în fabricile convenţionale. O astfel de organizare presupune realizarea în cadrul unei aceleiaşi linii de fabricaţie a unor operaţii diferite, ca: prelucr ări mecanice, asamblări, tratamente de
suprafaţă, control de calitate etc. Asemenea instalaţii robotizate, cu funcţionare automată sunt cunoscute sub denumirea de celule flexibile de fabrica ţ ie şi ele constituie punctul de plecare în organizarea, la un nivel mai înalt, a "sistemelor flexibile de fabricaţie" şi a "fabricii complet automatizate". În etapa actuală, costurile roboţilor industriali sunt ridicate, ceea ce impune ca orice implementare a acestora în procesul de producţie să fie fundamentată din punct de vedere economic. Pentru a stabili, într-un caz concret, dacă este sau nu oportună introducerea sau modernizarea automatizării se poate proceda la un calcul comparativ între soluţia propusă şi situaţia existentă, luându-se în considerare baza de comparaţie corespunzătoare cazului de analizat. Se notează cu indicele "1" soluţia existentă şi cu indicele "2" soluţia ce se elaborează. Calculul comparativ se face pe baza a doi indicatori: indicatorul de cre ştere a performan ţ elor ( K p) şi indicatorul de disponibilitate ( K d ). Indicatorul de creştere a performanţelor ( K p) depinde de raportul preciziilor în efectuarea operaţiilor, raportul numărului locurilor de muncă servite, raportul numărului operaţiilor tehnologice executate etc. Indicatorul de disponibilitate ( K d) se calculează cu relaţia: K d =
T o T o
+
T b
în care: T o = durata medie de bună funcţionare; T b = durata lucr ărilor de reparaţie şi întreţinere. Se consider ă că acţiunea de automatizare este oportună, dacă K p > 1 şi K d2 > K d1. Eficienţa economică rezultată prin introducerea automatizării se poate determina, de exemplu, prin calcularea termenului de recuperare a investiţiei (T r): T r =
I t 2 - I t 1 P 1 - P 2
în care: I t = cheltuieli de investiţii totale necesare pentru introducerea automatizării; P = costul unitar al producţiei. Investiţia şi respectiv acţiunea de automatizare într-un caz concret este considerată raţională dacă termenul de recuperare nu depăşeşte 7 ani şi, bineînţeles, dacă sporul de producţie obţinut este corelat cu cerinţele pieţei. Tendinţele de perfecţionare a roboţilor industriali se refer ă la următoarele aspecte: - mărirea gradelor de liberate în mişcare, - structur ă constructivă compactă, - viteză mai mare; - schimbarea facilă a programului de lucru; - vedere artificială; - creşterea capacităţii de memorare, de luare a deciziilor etc.
Rezumat
Prin automatizare se înţelege echiparea unei instalaţii cu un dispozitiv, care să asigure realizarea unei operaţii, sau a întregului proces f ăr ă intervenţia nemijlocită a personalului operator. Instalaţia împreună cu dispozitivul de automatizare formează sistemul automat. Sistemele de reglare automată SRA sunt sisteme convenţionale, care funcţionează în circuit închis, prin compararea valorii existente în proces pentru un factor, cu o valoare prestabilită. Dacă există diferenţe, sistemul acţionează pentru anularea lor. Sistemele evoluate utilizează calculatoare, în sistem off sau on-line. Conducerea numerică directă a proceselor tehnologice utilizează calculatorul numeric, comun tuturor buclelor de reglare din sistem, care înlocuieşte detectoarele de eroare şi regulatoarele din sistemele convenţionale. Roboţii industriali sunt definiţi ca maşini automate, uşor programabile, care pot efectua lucr ări simple, repetitive, şi care posedă capacitatea de percepere şi interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum şi de adaptare la mediu. Se apreciază oportunitatea introducerii automatizării prin indicatori specifici. Cuvinte cheie
automatizare sistem automat sistem de reglare automată traductor regulator automat conducerea numerică directă roboţi industriali Bibliografie suplimentară
1. Cuculeanu G., Ciobotaru V., „Tehnologii industriale şi de construcţii”, Ed. ASE, Bucureşti, 2000; 2. Dr ăgulănescu M., „Electronica funcţională”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1991; 3. Cătuneanu V.ş.a., „Tehnologie electronică”, Ed Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1995; 4. Filip F.Gh.ş.a., „Informatica industrială”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998; 5. Pilgrim A.,”Build Your Own Pentium III”, McGraw-Hill, New York, 2000; 6. http://www.ljkamm.com/engineer.htm
