CAPITOLUL 1 CONCEPTUL DE SISTEM AVANSAT DE PRODUCŢIE 1.1. Introducere La ora actuală nu există încă o definiţie oficială a sistemelor avansate de producţie şi se constată că atât constructorii de maşini, cât şi utilizatorii, încadrează în limite diferite conceptul de sistem avansat de producţie. Adeseori acest concept este confundat cu termenii de robotică sau automatizare, care acop acoper erăă aprox aproxim imat ativ iv acel aceleaş eaşii preoc preocup upări ări şi reali realiză zări ri indu indust stri rial ale, e, dar dar mai mai restrânse. Mijloacele de producţie ale industriei constructoare de maşini au cunoscut o dezvoltare accentuată odată cu apariţia calculatoarelor, roboţilor, sistemelor flexibile de prelucrare şi maşinilor unelte cu comandă numerică. Astfel în aceste condiţii s-a născut conceptul de sistem avansat de producţie ce regrupează formele de automatizare flexibilă a fabricaţiei (figura 1.1).
Automatica Mecanica
Sistem avansat de pro produ duccț ie
Electronica Electrotehnica
Informatic a
Hidraulica
Pneumatic a
Figura 1.1. Multidisciplinaritatea disciplinelor incorporate în conceptul de sistem avansat de producţie
Sistemul avansat de producţie poate fi definit în mai multe moduri, dar cel mai mai comp comple lett defi defineş neşte te sist sistem emul ul avan avansa satt de produ producţ cţie ie ca fiin fiindd ansamblul tehnicilor şi mijloacelor ce tind să automatizeze activitatea de producţie în fazele parcurse de un produs: definire, studiu,fabricaţie, servicii după vânzare. Deasemenea sistemul avansat de producţie mai poate fi definit ca arta de a fabrica produse utilizând tehnologiile cele mai recente, adică tehnologiile asistate de calculator. Această definiţie face trimitere la conceptual de CIM
(Com (Compu pute terr Inte Integra grate tedd Manu Manufa fact cturi uring ng)) sau sau fabr fabric icar area ea inte integra grată tă cu ajut ajutor orul ul calculatorului. Sist Sistem emul ul avan avansa satt de prod produc ucţi ţiee poat poatee avea avea inte interpr rpret etăr ării mult multip iple le,, dar dar inginerii îl percep într-un cadru strict, cu sensul de automatizare flexibilă a sist sistem emel elor or de prod produc ucţi ţie. e. În conc concep eptu tull de sist sistem em avan avansa satt de prod produc ucţi ţie, e, flexibilitatea trebuie înţeleasă ca un mijloc de adaptare a sistemului de producţie la produse diferite sau ca proprietatea ansamblului productiv de a se adapta fluctuaţiilor de piaţă. Pentru o asimilare mai clară a conceptului de sistem avansat de producţie în figura 1.2. sunt sintetizate domeniile de interes ale sistemelor avansate de producţie. Sistem avansat de prod produc ucție
Informatică industrială aplicată în: -proiectare; - tehnologii; - simulări; - gestiune; - logistică industrială; - controlul proceselor; - scoaterea din uz a produselor.
Robotică industrială
Mașini automate de producție (programabile): -MUCN; -mașini automate programabile; -mașini de asamblare automatizate; - mașini cu sisteme de control activ
Robotică (industrială): -roboți industriali; -manipulatoare industriale; - sisteme de transport automatizate
Figura 1.2. Structura unui sistem avansat de producţie 1.2.
Analiza sistemică a proceselor de prelucrare mecanică
Folosirea sistemelor avansate de producţie presupune apelarea atât la informatică cât şi la automatica industrială. Posibilitatea folosirii sistemelor avansate de producţie presupune ca firmele industriale să recruteze specialişti care să aibă cunoştinţe atât în domeniul tehnologiilor de fabricaţie cât şi în domeniul automaticii respectiv informaticii industriale. În cadrul sistemelor avansate de producţie funcţia de obţinere a produsului trebuie privită ca un sistem automat. Pentru a realiza o analiză din punct de vedere sistemic a unui proces avansat de producţie trebuie abordate o serie de noţiuni legate de procesul de fabricaţie sub aspectul modului în care este realizată partea operativă şi partea de comandă.
(Com (Compu pute terr Inte Integra grate tedd Manu Manufa fact cturi uring ng)) sau sau fabr fabric icar area ea inte integra grată tă cu ajut ajutor orul ul calculatorului. Sist Sistem emul ul avan avansa satt de prod produc ucţi ţiee poat poatee avea avea inte interpr rpret etăr ării mult multip iple le,, dar dar inginerii îl percep într-un cadru strict, cu sensul de automatizare flexibilă a sist sistem emel elor or de prod produc ucţi ţie. e. În conc concep eptu tull de sist sistem em avan avansa satt de prod produc ucţi ţie, e, flexibilitatea trebuie înţeleasă ca un mijloc de adaptare a sistemului de producţie la produse diferite sau ca proprietatea ansamblului productiv de a se adapta fluctuaţiilor de piaţă. Pentru o asimilare mai clară a conceptului de sistem avansat de producţie în figura 1.2. sunt sintetizate domeniile de interes ale sistemelor avansate de producţie. Sistem avansat de prod produc ucție
Informatică industrială aplicată în: -proiectare; - tehnologii; - simulări; - gestiune; - logistică industrială; - controlul proceselor; - scoaterea din uz a produselor.
Robotică industrială
Mașini automate de producție (programabile): -MUCN; -mașini automate programabile; -mașini de asamblare automatizate; - mașini cu sisteme de control activ
Robotică (industrială): -roboți industriali; -manipulatoare industriale; - sisteme de transport automatizate
Figura 1.2. Structura unui sistem avansat de producţie 1.2.
Analiza sistemică a proceselor de prelucrare mecanică
Folosirea sistemelor avansate de producţie presupune apelarea atât la informatică cât şi la automatica industrială. Posibilitatea folosirii sistemelor avansate de producţie presupune ca firmele industriale să recruteze specialişti care să aibă cunoştinţe atât în domeniul tehnologiilor de fabricaţie cât şi în domeniul automaticii respectiv informaticii industriale. În cadrul sistemelor avansate de producţie funcţia de obţinere a produsului trebuie privită ca un sistem automat. Pentru a realiza o analiză din punct de vedere sistemic a unui proces avansat de producţie trebuie abordate o serie de noţiuni legate de procesul de fabricaţie sub aspectul modului în care este realizată partea operativă şi partea de comandă.
Procesul de fabricaţie poate fi privit ca locul în care întră un produs oarecare (semifabricatul) căruia pe parcursul desfăşurării diferitelor operaţii i se adaugă o anumită valoare ce poartă denumirea de valoare adugată. Procesele de fabricaţie se pot realiza cu un flux continuu de materie primă, iar în acest caz procesul de fabricaţie este unul continuu în caz contrar procesul de fabricaţie este unul discontinuu sau discret. În cadrul industriei sunt o serie de sectoare în cadrul cărora procesele de fabricaţie sunt unele continue, dar şi sectoare în cadrul cărora procesele de fabricaţie sunt discontinue (tabelul 1.1). Tabelul 1.1. Tipuri de procese de producţie Proces continuu Principalele se sectoare analizate - si siderurgie - metalurgie - petrochimie - chimie - industria materia rialelor de construcţii construcţii Princi Principal palele ele oper operaţi aţiii automa automatiz tizate ate - culeg culegere ere de de inform informaţi aţiii - reglare - alimentare cu semifabricate
Proces discontinuu - mecanică - electronică - electrotehnică - alimentară - turnătorie - construcţii metalice - opraţii de prelucare şi control - asamblarea produselor - ambalare
Analizele efectuate au demonstrat faptul că productivitatea maximă şi costurile minime se obţin în cazul proceselor de producţie continue. Creşterea productivităţii în cazul unor astfel de procese se explică prin posibilităţile de aplicare a metodelor de automatizare clasică într-un grad mult mai avansat decât în cazul producţiei discrete (pe loturi). La ora actuală o mare parte din procesele specifice prelucrărilor mecanice sunt procese discontinui, iar valoarea adăugată a piesei în acest caz se obţine prin aplicarea unor operaţii de următorul tip: - prelucrare, dacă procesul se execută pe o maşină unealtă; - control, dacă procesul se execută pe o maşină de control; - deplasare sau poziţionare, dacă procesul se execută cu un dispozitiv de transfer sau orientare, manipulare. Valoarea adăugată a unei piese se determină în cazul proceselor de producţie complexe ca sumă a unor valori adăugate elementare specifice fiecărui proces simplu. În cazul prelucrărilor mecanice valoarea adăugată a unei piese este este dete determ rmin inat atăă de proc proces esee de tipu tipull tran transp spor ortu tulu lui, i, uzin uzinaj ajul ului ui resp respec ecti tivv controlului. Astfel noţiunea de proces se poate extinde la noţiunea de sistem care se poate descompune în procese elementare (de valoare adăugată elementară). Sist Sistem emel elee avan avansa sate te de prod produc ucţi ţiee se pot pot desc descom ompu pune ne în două două părţ părţii complementare: una denumită partea operativă şi cealaltă partea de comandă. Part Partea ea oper operat ativ ivăă incl includ udee (uti (utila laju jul,l, inst instal alaţ aţia ia)) care care acţi acţion onea ează ză fizi fizicc asup asupra ra produsului aflat în fabricaţie. Partea de comandă este automatul care elaborează comenzile destinate maşinilor şi echipamentelor de vizualizare, în funcţie de
instrucţiunile de lucru programate şi de la informaţiile primate de la maşini prin intermediul traductoarelor (figura 1.3.) Vizualizare
Produs + valoare adăugată Ordine
Automat (partea de comandă)
Informaţii
Instrucţiuni Alt automat
Proces (partea de operare)
Produs Operator
Figura 1.3. Părţile unui sistem avansat de producţie (partea de operare şi partea de comandă)
Procesele avansate de producţie se pot descompune în funcţie de activităţile de producţie desfăşurate în cadrul acestora în: - procese de elaborare a produsului ce cuprind operaţiile de prelucrare, control şi transport. Acest tip de operaţii sunt efectuate în cadrul proceselor elementare ale blocului operator al sistemului de fabricaţe (maşini unelte, maşini de control, manipulatoare); - comanda şi coordonarea operaţiilor ce reprezintă o activitate foarte complexă ce include activităţi de la simpla comandă a maşinilor până la progragramarea şi gestiunea producţiei. Procesele avansate de producţie cu specific mecanic prezintă o anumită structură care asigură funcţionalitatea acestora (figura 1.4). U.C. U.C. e r a n o d r o o C
U.C.
Prelucrar e
U.C.
Curățire
U.C.
Măsurar e
U.C. U.C.
Măsurar e
Manipular ee Manipular ee Manipular ee
Partea rămasă a întrprinderii
Figura 1.4. Structura unui sistem avansat de producţie cu specific mecanic
t r o p s n a r T
Din cele prezentate se observă faptul că un sistem avansat de producţie este un sistem foarte complex ce include două sub(sisteme) între care există o corespondenţă biunvocă. 1.3.
Analiza posibilităţilor de utilizare a sistemelor avansate de producţie
În cadrul marii varietăţi de mijloace de producţie, maşinile-unelte ocupă o poziţie specială, deoarece ele sunt utilizate pentru fabricarea altor mijloace de producţie. În ciuda dimensiunilor sale relativ reduse, industria de maşini-unelte joacă un rol strategic în dezvoltarea economică şi industrială. Toate ţările lumii sunt utilizatoare de maşini-unelte. Ca atare utilizarea optimă a maşinilor-unelte este importantă pentru oricine. În plus, natura strategică a industriei de maşini unelte rezultă din rolul său de furnizor de tehnologii de prelucrare, continuu perfectibile, contribuind astfel la productivitatea industrială. Recunoaşterea importanţei strategice a industriei de maşini-unelte în ţările producătoare din vârful ierarhiei a justificat adesea intervenţia guvernamentală sub forma unor politici industriale de sprijinire şi/sau de investiţii directe.Totuşi, în unele ţări care au intrat în acest domeniu, această recunoaştere a condus întotdeauna la adoptarea unor politici favorabile stabile pentru industrie. Succesul acestei industrii depinde de existenţa mai multor pieţe prealabile, a mâinii de lucru calificate, a industriilor de susţinere, a unei infrastructuri adecvate şi a unei politici industriale corespunzătoare. Ţara noastră are obligaţia să se alinieze şi să urmeze programele de dezvoltare a mijloacelor de producţie avansate. Sectorul construcţiilor de mşini acoperă un domeniu larg de produse de la maşini-unelte cu tehnologie simplă până la echipamente ce încorporează tehnologie avansată, fapt care, având în vedere diferitele necesităţi şi nivele ale structurii industriale, se deschid perspective reale pentru căutarea de soluţii corespunzătoare diferitelor situaţii. Fabricaţia de maşini-unelte şi utilizarea lor în industrie va fi abordată în mod realist şi pe baza unor condiţii tehnice şi economice specifice fiecărei ţări. Ca regulă generală, utilizarea progresivă a tehnologiilor automate va face posibil ca întreprinderile industriale să ajungă la creşteri de productivitate şi eficienţă, la o calitate mai bună a produselor, la o varietate mai mare de produse şi la o scădere a costurilor. Înainte de intrarea impetuoasă în această industrie trebuie să se manifeste prudenţă, de preferat printr-o abordare gradată începând cu repararea, întreţinerea şi producerea de piese de schimb, apoi continuând cu producerea de scule, dispozitive şi materiale de asamblare şi, în final, la fabricarea într-adevăr a maşinilor-unelte, sprijinită de studii precise şi reale de fezabilitate. Elementul cel mai important în acest proces evolutiv este crearea capabilităţilor umane şi a
condiţiilor infrastructurale legate de acesta. De aceea, se recomandă atât la nivel naţional, cât şi la nivelul întreprinderii, să se acorde o atenţie deosebită elaborării de programe pentru dezvoltarea resurselor umane şi a infrastructurii pentru a asigura succesul acestei industrii. Se recunoaşte că industria de maşini-unelte este extrem de sensibilă la dezvoltarea ciclică şi la comerţ. Circa 50% din maşinile-unelte produse în lume sunt comercializate pe piaţa mondială. Astfel, politicile comerciale privitoare la import şi export sunt cruciale pentru succesul industriei. În timp ce măsurile protecţioniste stricte pot stânjeni dezvoltarea tehnologică şi compatibilitatea internaţională a industriei, o liberalizare prea mare poate conduce la distrugerea unei industrii naţionale născânde. Guvernele ţărilor în curs de dezvoltare vor recurge la politici care să încurajeze transferul de tehnologie şi să compenseze producătorii locali prin alte măsuri de sprijinire. Ţările dezvoltate vor ridica între timp restricţiile exagerate (excesive) asupra importurilor de maşini unelte din ţările în curs de dezvoltare. Privind avantajele şi dezavantajele importului de maşini-unelte vechi, este necesar să se aprecieze echilibrul dintre economia de valută străină şi pierderea transferului de tehnologie de vârf. Cerinţele locale şi condiţiile specifice vor fi determinantul principal al acestei politici. Deoarece industria de maşini-unele este foarte sensibilă la dezvoltările tehnologice, adesea agenţiile guvernamentale oferă sprijin activităţilor de cercetare-dezvoltare având ca scop dezvoltarea acestui sector. Astfel se recomandă guvernelor ţărilor în curs de dezvoltare, producătoare de maşiniunelte, să ia măsurile mai sus menţionate pentru sprijinirea acestui sector. Organizaţii internaţionale sau regionale ca UNIDO, vor oferi sprijin oficial în elaborarea direcţiilor ce pot fi adoptate de către ţările în curs de dezvoltare, conţinând un pachet de stimulente politice la nivelul macro şi sectorial, ce ar fi necesare pentru sprijinirea dezvoltării sectorului de maşini-unelte, în special în etapele iniţiale ale dezvoltării sale. Printre stimulentele importante ce pot fi asumate de guverne se află cele referitoare la politica de achiziţii a sectorului public unde se poate acorda o preferinţă specială maşinilor-unelte produse pe plan naţional. Un alt factor politic cu importanţă nu numai la nivel naţional, dar şi la nivel subregional sau regional, se referă la dezvoltarea de standarde sau specificaţii care să faciliteze schimbul de componente şi echipamente şi să încurajeze comerţul. Se recomandă ca instituţiile naţionale şi regionale să se ocupe de aceste aspecte şi de activităţile de cercetare-dezvoltare referitoare la acestea. Disponibilitatea finanţării comerciale depinde de viabilitatea proiectelor de investiţii. Concesionarul dispus să finanţeze, depinde, în principal, de politica guvernamentală de încurajare a înfiinţării sau refacere/modernizare a unităţilor de producţie, a mijloacelor de producţie şi a sprijinirii activităţilor de cercetare dezvoltare în sector. Astfel de obiective politice înseamnă, de obicei, subvenţionarea guvernamentală prin taxe comerciale impuse prin instituţii financiare naţionale de dezvoltare. Viabilitatea proiectelor de dezvoltare, care
sunt condiţii prealabile importante pentru obţinerea finanţării comerciale, sunt ele însele dependente de o serie de factori, din care cei mai importanţi sunt disponibilitatea pieţei, materiile prime şi calificarea adecvată la preţuri competitive. Implicarea industriaşilor în primele stadii de pregătire a proiectelor de investiţii este extrem de importantă în realizarea cu succes a acestora. Referitor la modurile de finanţare, concesionarea este unul din mecanismele de finanţare netradiţionale potrivită pentru finanţarea proiectelor de mijloace de producţie care a fost doar recent introdus în ţările în curs de dezvoltare. Sunt necesare următoarele recomandări cu privire la finanţare: • ţările în curs de dezvoltare să ia măsuri legislative şi fiscale necesare pentru a introduce mecanisme de finanţare netradiţionale, în special concesiunea, printre altele, prin crearea de companii de finanţare naţionale în care sectorul privat va juca un rol major. Astfel de companii de finanţare pot fi stabilite prin cooperare internaţională, în special firme mixte cu instituţii de finanţare a dezvoltării internaţionale sau regionale şi cu firme specializate. • organizaţiile internaţionale implicate îşi vor intensifica activităţile de cooperare tehnică prin asistarea ţărilor în curs de dezvoltare la crearea firmelor de finanţare netradiţională în scopul facilitării dezvoltării industriei mijloacelor de producţie. Datorită costului ridicat al maşinilor-unelte cu tehnologie avansată, utilizarea lor la capacitatea maximă constituie o problemă crucială în introducerea lor în ţările în curs de dezvoltare. Utilizarea corectă a maşinilorunelte în general, şi cea a maşinilor-unelte moderne, în special, este posibilă doar dacă se respectă următoarele: operatorii sistemelor avansate, programatorii de software şi reglorii de scule sunt şcolarizaţi; sistemele avansate de producţie sunt întreţinute regulat şi/sau reparate când este necesar de către specialiştii de întreţinere şi reparaţii, şcolarizaţi în acest sens; maşinile-unelte sunt dotate cu scule, dispozitive şi matriţe cerute de piesele ce urmează să fie prelucrate; se respecte organizarea muncii şi schemele de planificare a producţiei. Se recomandă promovarea, crearea unor centre/institute de cercetaredezvoltare a maşinilor-unelte performante în ţările în curs de dezvoltare şi utilizarea lor adecvată. Principala consecinţă a utilizării sistemelor avansate de producţie se referă la impactul asupra nivelului locurilor de muncă în industria construcţiei de maşini. Deşi introducerea tehnologiilor de prelucrare avansate are un efect de reducere a locurilor de muncă la nivelul secţiei de producţie, ea creează noi locuri de muncă în alte activităţi conexe, în cadrul sau în afara întreprinderii în care s-a introdus noul echipament. Printr-o administrare corespunzătoare a resurselor umane la nivelul întreprinderii dificultăţile ce pot apărea la introducerea echipamentului automatizat pot fi în mare parte contrabalansate. La
nivelul ramurii, introducerea tehnologiilor de prelucrare avansate în industria constructoare de maşini nu are un efect negativ asupra nivelului unei maşini, nu are un efect negativ asupra nivelului numărului de locuri de muncă în ţările industrializate, dar nu are acelaşi efect în ţările în curs de dezvoltare. Din contră lipsa competitivităţii datorată productivităţii scăzute poate conduce la o reducere a numărului locurilor de muncă din industria maşinilor unelte. Introducerea tehnologiilor de prelucrare avansate nu au un efect de descalificare la nivelul operatorului. Dimpotrivă operatorul va acumula noi cunoştinţe, în special cele legate de echipamentele CNC, prin aceasta crescând nivelul „culturii industriale“ a populaţiei. Industriile de maşini-unelte şi cele complementare implică procese industriale ce ar putea avea impacturi negative asupra mediului dacă nu se iau precauţii adecvate. Administrarea şi controlul deşeurilor sunt un factor important în toate industriile constructoare de maşini, inclusiv industria de maşini-unelte. Totuşi, creşterea constantă a preocupării privind condiţiile de mediu în dezvoltarea industrială, se extinde din ce în ce mai mult la industria mijloacelor de producţie, care este dirijată din ce în ce mai mult către producţia de echipament pentru controlul şi eliminarea poluării, ca şi a reciclării materialelor şi a conservării energiei. Grija faţă de mediu cere mecanisme economice de reglare, preocupare publică şi şcolarizarea, cercetarea şi dezvoltarea de tehnologii mai curate şi proiecte demonstrative. Pentru rezolvarea problemelor fabricilor poluante în special, va fi necesară finanţare atât din partea guvernelor cât şi cooperarea internaţională. În acest context, trebuie avută în vedere conferinţa asupra dezvoltării industriale suportată din punct de vedere ecologic (ESLD) organizată de UNIDO la Copenhaga. Pentru îmbunătăţirea mediului, principiul, „cel ce poluează plăteşte“, este aplicabil industriei mijloacelor de producţie ca şi în cazul altor sectoare. Se vor depune eforturi speciale pentru dezvoltarea de noi tehnologii, pentru îmbunătăţirea controlului şi supravegherii poluării mediului, incluzând dezvoltarea unui echipament corespunzător acestor scopuri, atât în ceea ce priveşte aplicarea tehnologiei cât şi a difuzării informaţiei în întreprinderi mici sau medii. Ţările dezvoltate vor transmite know-how referitor la aceste procese ţărilor în curs de dezvoltare şi întreprinderilor mici şi mijlocii pentru achiziţionarea şi utilizarea echipamentului pentru supravegherea mediului în legătură cu procesele industriale. 1.4.
Simboluri utilizate în cadrul sistemelor avansate de producţie
Simbol Denumire NC Numerical Control (Comandă numerică) CNC Computerized Numerical Control (Comanda numerică cu calculatorul) DNC Direct Numerical Control (Comandă numerică directă)
MUCN Maşini-unelte cu comandă numerică CO Cerere şi ofertă JIT Just in Time (La momentul potrivit) AHS Automated Handling System (Sisteme automate de manevrare) ASS Automated Storage System (Sistem automat de depozitare) FEA Finite Element Analysing (Analiza elementelor finite) TQM Total quality Management (Managementul calităţii totale) PLC Programabil Logic Controler (Controlul logic al programării) AGV Utomated Guided Vehicles (Vehicule ghidate automat) MC Machining Centres (centre de uzinare) CAE Computer Aided Engineering (Inginerie asistată de calculator) CAPP Computer Aided Process Planing (Planificarea procesului asistată de calculator) CA Computer Aided Design (Proiectarea asistată de calculator) CAM Computer Aided Manufacturing (Fabricaţia asistată de calculator) CIM Computer Integrated Manufacturing (Fabricaţie integrată cu calculatorul) Rob Roboţi TR Tipuri de transport ST Tipuri de stocare INS Subsistem inspecţie PV Numărul variantelor (familia de subansamble) NT Numărul total al maşinilor SDV Scule, dispozitive, verificatoare SI Sistem informaţional GT Tehnologia de grup CSIT Cercetare ştiinţifică şi inginerie tehnologică CŞ Cercetare ştiinţifică DT Dezvoltare tehnologică IPT Introducerea progresului tehnic SFTE Studiu de fundamentare tehnico economică NFTE Norme de funcţionare tehnico economică NCP Note de comandă a proiectului TC Complexitate tehnică ECN Echipament de comandă numerică CSG Geometrie în spaţiu constructivă IASA International Institutes for APPLIED Systems Analysing (Institutul Internaţional de Analiză Aplicată a Sistemelor) UNIDO United Nations Industry Development Organization (Organizaţia de Dezvoltare Industrială a Naţiunilor Unite). SFP Sistem flexibil de prelucrare
1.5.
Eficienţa utilizării sistemelor avansate de producţie
Problema creşterii productivităţii muncii nu este numai o problemă tehnică ea fiind strâns legată de problemele organizatorice şi economice ale producţiei. Pentru a se asigura obţinerea unei productivităţi mărite se impune: - ridicarea nivelului tehnic al producţiei; - ridicarea calificării profesionale a tuturor celor implicaţi în procesul de producţie; - stimularea cointeresării materiale şi morale. Măsurile care pot duce la creşterea productivităţii muncii pot fi împărţite în trei categorii: - prima categorie cuprinde măsuri legate de proiectarea produsului, de alegerea eficientă a semifabricatului şi a materialelor; - a doua categorie cuprinde măsurile cu caracter organizatoric având drept scop mai ales eliminarea pierderilor de timp legate de: - aşezarea şi fixarea pieselor în dispozitiv sau pe masa maşinii de prelucrat; - organizarea locului de muncă; - îmbunătăţirea aprovizionării locului de muncă; - ascuţirea sculelor; - strângerea şi evacuarea aşchiilor; - transportul pieselor de la un loc de muncă la altul; - a treia categorie cuprinde măsuri legate de raţionalizarea tehnologiilor de fabricaţie. Măsurile din prima categorie au o importanţă deosebită în creşterea productivităţii şi reducerea costului printr-o proiectare funcţională şi o proiectare tehnologică a produsului şi respectiv a pieselor componente. Proiectarea funcţională şi tehnologică se poate face într-o strânsă interdependenţă dacă se ţine cont de tehnologicitatea construcţiei. Tehnologicitatea construcţiei trebuie analizată luând în considerare următoarele elemente: posibilitatea realizării piesei cu un consum minim de materiale, energie şi echipament tehnologic; standardizarea şi unificarea pieselor, subansamblelor, ansamblelor şi produselor care să permită: - tipizarea proceselor tehnologice; - utilizarea sculelor standardizate; - utilizarea dispozitivelor standardizate şi reducerea numărului de dispozitive şi scule de construcţie specială; - aplicarea metodelor tehnologice moderne; - utilizarea economică a utilajelor de mare productivitate
alegerea materialelor optime influenţează pozitiv nu numai costul produsului (piesei) ci conduce şi la reducerea considerabilă a volumului de prelucrări şi implicit la creşterea productivităţii. Este recomandat ca această alegere să se facă folosind metoda de analiză a valorilor optime. simplificarea prelucrărilor mecanice poate conduce la creşterea productivităţii muncii dacă se aleg cele mai simple suprafeţe sau combinaţii de suprafeţe, cele mai simple metode de generare a suprafeţelor, evident cu respectarea condiţiilor tehnice de generare. Măsurile din a doua categorie au un caracter organizatoric şi au drept scop reducerea timpilor auxiliari şi de deservire organizatorică şi tehnică a locului de muncă, timpi cu mare pondere în norma tehnică de timp pe bucată. Timpul consumat pentru aşezarea şi fixarea piesei în dispozitiv sau pe masa maşinii precum şi timpul necesar pentru scoaterea piesei prelucrate influenţează într-o măsură foarte mare asupra productivităţii, de aceea, inginerul tehnolog trebuie să descompună procesul de aşezare şi fixare al piesei, precum şi procesul de scoatere a piesei prelucrate, în elementele sale componente pentru a se putea face mecanizarea sau automatizarea acestora. De exemplu, aşezarea şi fixarea manuală a piesei în dispozitiv sau pe masa maşinii, în afară de faptul că nu se face totdeauna uniform şi piesa poate fi deformată şi chiar rebutată, consumă un timp auxiliar mult mai mare decât atunci când acest lucru se face mecanic sau automat (hidraulic, pneumatic sau electromagnetic). Asupra productivităţii influenţează şi timpul consumat cu manevrarea maşinii-unelte (pornirea şi oprirea, cuplarea şi decuplarea avansurilor, readucerea în poziţie iniţială a săniilor etc.) de aceea aplicarea şi extinderea controlului activ al dimensiunilor este o sursă importantă de reducere a acestor timpi şi implicit de creştere a productivităţii. Timpul de deservire tehnică a locului de muncă influenţează într-o anumită măsură, destul de mare, productivitatea prin elementele sale componente: - timpul consumat cu schimbarea sculei uzate , care se poate reduce mult dacă maşina este prevăzută cu dispozitive speciale care să permită scoaterea şi fixarea rapidă a sculei (cum este de exemplu mandrina utilizată la maşiniile de găurit). Fixarea rapidă la cotă a sculelor reascuţite se poate face prin utilizarea unor dispozitive adaptabile uşor pe maşinile respective. De exemplu, pentru o fixare rapidă la cotă a cuţitului reascuţit, fără a mai fi nevoie de luare de aşchii de probă pentru reglarea la cotă se poate folosi un dispozitiv simplu fixat pe suportul port-cuţit al strungului (figura 1.5). Cuţitul 1, se fixează în suportul port-cuţit 2 aşa fel încât vârful lui să atingă pastila 3 a braţului 4, ce se roteşte cu 180° după ce cuţitul s-a fixat la cotă. Se mai pot folosi diverse alte construcţii simple (şabloane, etaloane etc.) cu ajutorul cărora să se reducă la minimum timpul consumat cu reglarea la cotă a sculelor reascuţite; -
3
1 4 2
5
Figura 1.5 Dispozitiv pentru reglarea rapidă la cotă a cuţitului rescuţit: 1 – cuţit; 2 – suport port-cuţit; 3 – pastilă; 4 – braţ; 5 – ax de rotaţie.
- timpul consumat cu efectuarea reglărilor periodice la dimensiune a sculelor datorită uzurii lor pe faţa de aşezare se poate reduce complet dacă se adaptează la maşina respectivă un sistem de control activ şi de autoreglare la dimensiune a sculei; - timpul consumat cu ascuţirea sculelor uzate se poate reduce complet complet dacă întreprindere întreprindereaa respectivă respectivă are ascuţitorie ascuţitorie centrală (cazul producţiei de unicate sau serie mică); - timpul consumat cu schimbarea succesivă a sculelor în ordinea ordinea succesiunii fazelor unei operaţii se poate reduce dacă se utilizează la lucrul pe maşini-unelte universale suporţi port-scule de tipul capului revolver. Maşinileunelte unelte moderne sunt prevăzute prevăzute în acest scop cu sisteme de schimbare automată a sculelor, cu mâini mecanice, care înlocuiesec sculele dintr-o magazie de scule pe bază de program (aceste tipuri de maşini-unelte sunt denumite centre de prelucrare). O altă posibilitate, care stă la îndemâna inginerului tehnolog, de a reduce timpul cu schimbarea sculei este aceea a reducerii numărului de scule, lucru uşor realizabil folosind scule combinate (cu ajutorul unei scule combinate se pot prelucra 2…p suprafeţe ale piesei, la o singură fixare a sculei); - timpul consumat cu strângerea şi evacuarea aşchiilor se poate reduce folosind diferite soluţii constructive ale sculelor (sfărâmător de aşchii, canal pe faţa de degajare etc.) sau ale maşinilor-unelte, dar nu se poate reduce complet având influenţă negativă asupra productivităţii muncii. Măsurile din a treia categorie pot fi uşor depistate dacă se face o analiză profundă a timpului de bază de maşină şi a timpului de pregătire-încheiere . Importanţa Importanţa reducerii timpului timpului de bază de maşină maşină este atât de vădită vădită încât foarte foarte des productivitatea întregului proces tehnologic se identifică cu productivitatea procesului de aşchiere. Pentru găsirea căilor care conduc la reducerea timpului de bază de maşină τ bm se face analiza relaţiei analitice a acestuia: τ bm
=
l s
l
l
+ i + e
naş ⋅ f
=
L c ⋅i naş ⋅ f
=
Lc
⋅
A p
naş ⋅ f a p
=
Lc
⋅ π ⋅
1000 ⋅ v c
d ⋅ A p ⋅
a p ⋅ f
(1.1)
în care: l s este lungimea suprafeţei care se prelucrează; l ,l i e – lungimea parcursă de sculă cu avans de lucru înainte de intrarea în aşchie, respectiv cea de la ieşirea din aşchie; Lc – lungimea cursei saniei cu scule cu avans de lucru; i – numărul de treceri (i = A p / a p ); ); A p - adaosul de prelucrare; a p – adâncimea de aşchiere la o trecere; d – diametrul suprafeţei care se prelucrează; naş – numărul de rotaţii sau de curse duble ale sculei; vc – viteza de aşchiere; f – avansul de aşchiere pe o rotaţie sau pe o cursă dublă. Lungimea Lc a unei sănii poate fi redusă dacă prelucrarea suprafeţei respective se face cu mai multe scule simultan fixate pe aceeaşi sanie sau micşorând lungimea l i.
li
I
II
D
d nas
B
nas
e B
f l li
li
f l
Figura 1.6. Schemă de reglaj cu valori diferite pentru l i: r otaţie a sculei; II – cazul I – cazul când axa de simetrie a piesei este în acelaşi plan cu axa de rotaţie când cele două axe sunt dezaxate cu excentricitatea e.
Lungimile l i şi l e pot pot fi redu reduse se print printr-o r-o regl reglare are core coresp spun unză zăto toare are a opritoarelor (la strunjire, găurire, rabotare, mortezare) sau folosind scule cu diametrul cât mai mare (la frezare sau rectificare) fixate cu axa de rotaţie chiar pe axa de simetrie a suprafeţei care se prelucrează. De exemplu, atunci când diametrul frezei d f este mult mai mare decât lăţimea suprafeţei de prelucrat B (figura 1.6), lungimea l i’ pe care o parcurge masa cu piesa până la intrarea completă în aşchie este mai mică decât atunci când diametrul frezei d f este aproape egal cu B când trebuie parcursă lungimea l i’’ . De asemenea, când freza nu are axa de rotaţie coaxială cu cea de simetrie a piesei (cazul II), lungimea l este mult mai mare decât l , când cele două axe sunt coaxiale (cazul I). Lungi Lungime meaa curs cursei ei de lucru lucru a scul sculei ei pent pentru ru înde îndepă părta rtare reaa adao adaosu sulu luii de pre prelu lucr crar aree prin prin stru strunj njir iree de exem exempl plu, u, poat poatee fi mult mult redu redusă să dacă dacă se face face prelucrarea cu avans transversal cu un cuţit cu lungimea muchiei aşchietoare l ma ma puţin mai mare decât lungimea suprafeţei care se prelucrează (figura 1.7). '''
i
'
i
ls n as li lma f t
Figura 1.7. Strunjirea cu un cuţit cu lungimea muchiei aşchietoare mai mare decât lungimea suprafeţei de prelucrat.
Redu Reduce cere reaa numă număru rulu luii de trec trecer erii se poat poatee face ace în prim primul ul rând rând prin prin micşora micşorarea rea adaosu adaosului lui de preluc prelucrare rare lăsat lăsat pe piesa-s piesa-semi emifab fabric ricat at sau mărind mărind adân adânci cime meaa de aşch aşchie iere re.. Timp Timpul ul de bază bază de maşi maşină nă poat poatee fi redu reduss dacă dacă prelucrarea se face cu mărirea avansului de aşchiere şi/sau mărirea vitezei de aşchiere, dar aceste măriri nu pot fi făcute decât în urma unei analize de optimizare a regimului de aşchiere. 3 f t naş
6
2
5
1 4
Figura 1.8. Strunjirea simultană a două roţi baladoare pe un strung multicuţit: pieselee de preluc prelucrat rat;; 3 – sani saniee 1; 2 – piesel transversală; 4 – sanie longitudinală; 5 – inel distanţier; 6 – dispozitiv de aşezarefixare
Creşterea productivităţii muncii este subs substa tanţ nţia ială lă atun atunci ci când când se poat poatee l face face prel preluc ucra rare reaa simu simult ltan anăă a mai mai multor piese pe aceeaşi maşină-unealtă, la o singură deplasare a sculei sau a saniei pe care sunt fixate sculele necesare. Un exemplu poate fi prelucarea prin strunjire pe strunguri multicuţite (figura 1.8) a două roţi dinţate baladoare sau prelucarea prin frezare sau rectificare a unor suprafeţe plane (figura 1.9). În ultimul caz, prelucarea se poate face în serie (figura 1.9, a) sau în serie-paralel (figura 1.9, b).
2 2 1
1 nas (vc)
3
f l
a
naş (vc )
f l
3
Figura 1.9. Frezarea sau rectificarea simultană a pieselor fixate pe masa maşinii: a – în paralel; b – în serie-paralel: 1 – piesele de prelucrat; 2 – masa maşinii; 3 – scula de aşchiere.
O productivitate mai ridicată decât în cazurile precedente se poate realiza dacă timpul auxiliar se suprapune complet peste timpul de bază de maşină. În acest caz maşina pe care se face prelucrarea trebuie prevăzută cu un post de încărcare-descărcare, iar masa să aibă o mişcare de rotaţie continuă cu o viteză egală cu viteza de avans (figura 1.10). Una din căile care asigură creşterea productivităţii în măsura cea mai mare este prelucrarea pe linii tehnologice automate. 3
nm=f c
2
1
4
Figura 1.10. Schema de prelucrare pe maşini cu post de încărcaredescărcare: 1 – post de încărcaredescărcare; 2 – post de degroşare; 3 – post de semifinisare; 4 – post de finisare.
O productivitate mai ridicată decât în cazurile precedente se poate realiza dacă în norma tehnică de timp pe bucată se înclude şi o cotă parte din timpul de pregătire-încheiere. Reducerea timpului de pregătire-încheiere constituie o sursă bogată de mărire a productivităţii şi reducerea în acelaşi timp a costului prelucrării. Timpul de pregătire-încheiere τ pî este format din: (1.2) în care: τ sd este timpul pentru studierea desenului sau a piesei ce urmează a fi prelucrată; τ pd – timpul pentru primirea dispozitivelor necesare; τ ps- timpul pentru primirea sculelor necesare; τ rd – timpul pentru reglarea la dimensiune a maşinii. Timpul pentru studierea desenului sau a piesei pentru prelucrarea la o operaţie este cu atât mai mic cu cât desenul piesei este mai clar şi cu cât procesul tehnologic de prelucrare este mai raţional proiectat. Timpul pentru primirea sculelor şi dispozitivelor necesare se reduce printr-o mai bună organizare a locului de muncă. pi = τ sd +τ pd +τ ps +τ rd
τ
Timpul pentru reglarea maşinii la dimensiune cuprinde timpul pentru fixarea dispozitivelor, fixarea sculelor şi timpul de reglare a lanţului cinematic. Acest timp este cu atât mai mare cu cât schema cinematică a maşinii este mai complexă, cu cât numărul de scule este mai mare şi cu cât operaţia este mai concentrată. Prin urmare, ponderea timpului de pregătire-încheiere asupra normei tehnice de timp pe bucată este cu atât mai mare cu cât numărul de piese care se prelucrează pe maşina respectivă sau pe linia tehnologică este mai mic. Ca o concluzie generală, rezultată din cele prezentate mai sus, reiese foarte pregnant în evidenţă calea actuală de mărire a productivităţii valabilă la toate tipurile de producţie şi anume – automatizarea. În afară de factorii enumeraţi mai sus, productivitatea prelucrării prin aşchiere pe maşini-unelte este influenţată în mare măsură de rigiditatea sistemului tehnologic maşină-unealtă-piesă-dispozitiv-sculă, care are influenţă directă asupra timpului de bază de maşină. Pentru a pune în evidenţă acest lucru se pleacă de la timpul de bază de maşină τ bm dat de relaţia: L (1.3) n f sau înlocuind valoarea lui naş, funcţie de viteza de aşchiere vc 1000 ⋅ v c naş = (1.4) τ bm
=
aş
⋅
π ⋅ d
se obţine pentru τ bm , expresia: π ⋅
d L ⋅
(1.5) în care: L este lungimea suprafeţei prelucrate, în mm; d – diametrul piesei prelucrate, în mm; vc – viteza principală de aşchiere, în m/min; f – avansul de aşchiere, în mm/rot Deoarece viteza de aşchiere este funcţie de natura materialului de prelucrat, natura materialului sculei, geometria sculei, precum şi de condiţiile de aşchiere (toate acestea exprimate prin coeficientul C v), funcţie de adâncimea de aşchiere a p şi avansul de aşchiere f: τ bm
vc =
=
1000
⋅
v c f ⋅
C v x
(1.6)
y
a pv ⋅ f v
se obţine pentru timpul de bază de maşină, relaţia: π τ bm
=
x
y
⋅ d ⋅ L ⋅ a pv ⋅ f v
1000⋅ C v ⋅ f
π
=
x
⋅ d ⋅ L ⋅ a pv 1− y v
1000⋅ C v ⋅ f
(1.7)
Înlocuind valoarea avansului de aşchiere f , în funcţie de rigiditatea j dată de relaţia: 4
2,5 3 f = j 3 C p ⋅ k 1 4
în relaţia (1.7) se obţine pentru timpul de bază de maşină relaţia:
(1.8)
τ bm
⋅ d ⋅ L ⋅ a p x
π
=
4 ⋅ j 3
⋅ C v
1000
v
4
2,5 ⋅ C p
3
1− y v
⋅ k 1
(1.9)
Deoarece xv; yv; C v; C p; k 1 sunt coeficienţi de corecţie determinaţi experimental se poate face notaţia: ⋅ d ⋅ L ⋅ a p x
π
k =
4
1000 ⋅ C v
2,5 3 ⋅ C p
v
⋅(1− y v )
⋅ k 11− y
v
(1.10)
şi rezultă pentru timpul de bază de maşină relaţia: k
k
(1.11) Din analiza relaţiei (1.11) se vede că timpul de bază de maşină sau productivitatea prelucrării pe maşina respectivă este invers proporţională cu rădăcina pătrată a rigidităţii (deci, dacă rigiditatea creşte de patru ori, timpul de bază de maşină scade de două ori şi productivitatea creşte de două ori). Pentru a demonstra creşterea productivităţii muncii prin reducerea timpului de bază de maşină se va analiza prelucrarea pe maşini-unelte agregat şi pe liniile tehnologice automate folosind concentrarea operaţiilor . Dacă procesul tehnologic de prelucrare a unei piese este diferenţiat în k operaţii elementare şi dacă timpul de lucru pentru fiecare oparaţie elementară executată cu câte o sculă la câte o maşină este τ 1 , τ 2 ,…τ ,k atunci volumul total de lucru al piesei τ tot d va fi: τ bm =
j
0, 53
≈
j
k
τ totd
= ∑ τ i = k ⋅ τ med
(1.12)
i =1
în care: τ med este timpul mediu de lucru pentru o operaţie elementară. În cazul concentrării operaţiilor, operaţiile elemnentare pot fi executate simultan cu câteva scule simple, cu una combinată sau cu câteva blocuri de scule (cuţite, freze, burghie etc.) sau cu unul sau mai multe capete multiax la maşina agregat sau la o maşină de găurit. Cu fiecare bloc sau complet de scule se pot executa simultan m operaţii elementare, formând astfel o operaţie complexă sau concentrată. Dacă numărul de operaţii elementare este k , atunci numărul de operaţii complexe sau concentrate l va fi: k l (1.13) m iar volumul total de lucru τ tot c va fi: =
l
τ totc
= ∑ τ i' = l ⋅ τ med = i =1
k m
⋅ τ med
(1.14)
în care: ; … sunt timpii de lucru pentru operaţiile complexe de gradul întâi (operaţii concentrate de gradul întâi). Eficacitatea concentrării operaţiilor elementare în operaţii complexe de gradul întâi rezultă din compararea relaţiilor (1.12) şi (1.13) care exprimă '
τ 1
'
τ
2
'
τ l
volumul total de lucru necesar pentru executarea piesei ( τ tot d – se referă la lucrul după principiul divizării operaţiilor; τ tot c – se referă la lucrul după principiul concentrării operaţiilor), adică: τ totd τ totc
=
k ⋅ τ med k m
=
m
(1.15)
⋅ τ med
de unde rezultă: τ totd
(1.16) Deci volumul de lucru în cazul concentrării de gradul întâi al operaţiilor este de m ori mai mic decât volumul de lucru în cazul divizării operaţiilor. La aceleaşi concluzii se ajunge şi dacă se face o concentrare de gradul doi a operaţiilor elementare (o concentrare de gradul doi se obţine prin unirea mai multor operaţii elementare concentrate de gradul întâi.) τ totc =
m
CAPITOLUL 2
CARACTERISTICILE MAŞINILOR-UNELTE UTILIZATE ÎN CADRUL SISTEMELOR AVANSATE DE PRODUCŢIE 2.1. Generalităţi În conceptul actual, maşina-unealtă automată are în plus faţă de cea convenţională alimentarea automată, automatizarea controlului şi programarea automată a ordinei de prelucrare. Alimentarea constă în următoarele aspecte: - alimentarea automată cu piese (semifabricate) şi dispozitive port-piesă; - schimbarea automată a sculelor; - curăţirea automată a pieselor şi suprafeţelor funcţionale; - evacuarea automată a piselor prelucrate. Maşinile unelte folosite în cadrul sistemelor avansate de producţie trebuie să fie caracterizate printr-o flexibilitate ridicată pentru a putea fi atinse următoarele obiective: - posibilitatea instalării de piese diferite; - posibilitatea schimbării automate a sculelor din magazinul de scule propriu al maşinii; - stocarea mai multor programe de prelucrare în memoria părţii de comandă. În ultimul timp se urmăreşte o creştere continuă a flexibilităţii maşinilor unelte, iar pentru aceasta maşinile unelte trebuie să fie echipate cu sisteme specifice, care au ca scop: - supravegherea automată a sculelor şi a regimului de aşchiere; - controlul integrat al pieselor înaintea prelucrării; - stabilitatea termică ( echiparea cu sisteme de compensare a deformaţiilor termice a principalelor organe ale maşinii: arbore principal, şurub cu bile etc.); - defectarea foarte rară şi detectarea (eventual sesizarea vizuală, sonoră, oprire etc.) imediată a maşini defecte. În categoria maşinilor unelte care îndeplinesc aceste condiţii intră maşinile unelte cu comandă program. Prin folosirea unor astfel de maşini unelte se obţine o creştere a productivităţii proceselor de prelucrare prin aşchiere, iar acest lucru se poate realiza în principal prin reducerea substanţială a timpului auxiliar care, în cazul prelucrării unor piese complicate ajunge până la 80% din timpul total de prelucrare. Efectuând automat şi rapid toate componentele timpului auxiliar (prinderea-desprinderea piesei şi sculei, oprirea-pornirea maşinii-unelte, măsurări de cote, comenzi de deplasare, comenzi de deplasare şi poziţionare, curăţirea de aşchii etc.) productivitatea poate creşte de 3...6 ori. În general, comenzile necesare pentru executarea unei operaţii de prelucrare se referă la cinematica procesului de prelucrare şi se împart în trei grupe :
- comenzi de selectare a fazelor operaţiei , prin care se selectează organele maşinii ce efectuează mişcarea , direcţia mişcării şi sensul acesteia; - comenzi de selectare a regimului de lucru, prin care se stabilesc parametrii regimului de prelucrare; - comenzi dimensionale, prin care se stabilesc cursele de lucru (amplitudinile mişcărilor de prelucrare). Elaborarea tehnologiilor de prelucrare a pieselor pe maşini-unelte cu comandă numerică (MUCN) comportă o serie de particularităţi legate în primul rând de modul de transmitere a informaţiilor cu privire la generarea suprafeţelor de către maşina-unealtă comandată numeric. Pentru ca informaţiile să fie recepţionate şi înţelese de echipamentul de comandă numerică (ECN ), acestea sunt supuse unui proces complex de prelucrare pentru a putea fi aduse într-o formă codificată adecvată. Principalele compartimente şi informaţii necesare desfăşurării procesului tehnologic de prelucrare sunt prezentate în figura 2.1. Toate informaţiile primite de ECN prin suportul program de la maşina-unealtă şi de la operatorul uman sunt prelucrate şi transmise sub formă de comenzi organelor de execuţie ale maşinii-unelte. D e s e n u lp ie s e i
C o m p a rtim e n tu l p ro ie c ta re -t e h n o lo g ic ă
A n a liz ad e s e n u lu ip ie s e i S t a b ilir e a te h n o lo g ie id e p r e lu c r a r e S t a b ilir e a m a ş in ii-u n e lt e S t a b ilir e as c u le lo rn e c e s a r e S t a b ilir e a s u c c e s iu n ii fa z e lo rd e p r e lu c r a r e S t a b ilir e a re g im u r ilo rd ea ş c h ie r e
C o m p a rtim e n tu l P ro g r a m a re
E la b o r a r e aînfo rm ăc o d ific a t ă ap ro g ra m u lu id ep re lu c r a re a lp ie s e i T ra n s p u n e r e aînlim b a jfo r m a l
P r o g ra m u ld ep re lu c r a r ea l p ie s e i (p u r tă t o r u ld ep r o g ra m )
O p e ra to ru lu m a n
S u p o rtu lp ro g ra m p re lu c ra r e
C o rec ţiile
E c h ip a m e n tu ld e c o m a n d ăn u m e ric ă
In form a ţiiled e d e p la s a re S ta re am a ş in ii înfu n cţion a re
In form a ţiiled e c o m u ta re
In fo r m a ţ iilea s u p r a p o z iţ ie is c u le i
M a ş in a-u n e a ltă
E x e c u ţiap ie s e i
P ie s ap r e lu c r a t ă
Figura 2.1. Compartimentele şi informaţiile necesare proiectării unui proces tehnologic de prelucrare pe MUCN.
Pentru a putea programa diferite deplasări ale organelor de execuţie ale maşinii-unelte este necesar ca aceste deplasări să fie raportate la un sistem de
coordonate. Conform STAS 8902 -1981 se adoptă un sistem triortogonal de sens direct, în care axele de coordonate au o dublă semnificaţie (geometrică şi fizică) şi respectă următoarele reguli principale: - axa Z este identică sau paralelă cu axa arborelui principal, având sensul pozitiv spre creşterea distanţei dintre sculă şi piesă. Pentru maşinile fără ax principal (maşini de rabotat) axa Z se consideră perpendiculară pe suprafaţa de aşezare a piesei; - axele X şi Y determină un plan normal pe axa Z , având ca purtători fizici de deplasare, ghidajele rectilinii ale meselor şi săniilor (cu diferite precizări în funcţie de tipul maşinii-unelte); - axele X, Y, Z , sunt atribuite maşinii-unelte şi faţă de ele se precizează deplasările sculei. Pentru a preciza deplasările piesei se consideră un sistem de coordonate ale acesteia notate X’, Y’, Z’ care au sensul pozitiv opus celor ale maşinii-unelte; - mişcările de rotaţie în jurul axelor menţionate se notează cu A, B, C şi respectiv cu A’, B’, C’ ( de exemplu , în cazul strungului există o singură mişcare de rotaţie, executată de piesă, notată C’ , celelalte mişcări fiind executate de sculă pe cele două direcţii perpendiculare Z şi X ); - originea sistemului de referinţă al MUCN se numeşte originea maşinii, punct de referinţă sau punct de nul. Punctul de referinţă poate fi fix sau deplasabil. Maşinile-unelte dotate cu ECN au la bază aceleaşi procedee de prelucrare ca şi cele clasice (strunjire, burghiere, frezare etc.), dar modul de desfăşurare a procesului de prelucrare prezintă câteva particularităţi care influnţează modul de proiectare a tehnologiei de prelucrare, construcţia echipamentului tehnologic şi calculul parametrilor procesului tehnologic.
2.2. Centre de prelucrare Centrele de prelucrare sunt maşini-unelte ce derivă din: maşini de alezat şi frezat, maşini de frezat, strunguri şi maşini de găurit, comandate numeric, cărora li se adaugă magazinul de scule şi mecanismele necesare schimbării şi transferului sculei. Prelucrarea pieselor pe centrele de prelucrare se realizează fără desprinderea pieselor de pe masa maşinii prin utilizarea mai multor scule de dimensiuni şi tipuri diferite, dispuse în magazin, în acest fel mărindu-se foarte mult timpul efectiv de aşchiere (ajunge până la 75% din timpul total faţă de maximum 45% la maşinile-unelte convenţionale). Centrele de prelucrare permit creşterea productivităţii la prelucrarea pieselor complicate în serie mică sau unicate. Clasificarea centrelor de prelucrare se face după mai multe criterii : - după tipul maşinii - unelte din care provin (centre de prelucrare prin strunjire, găurire, alezare şi rectificare, combinate etc.);
- după poziţia arborelui principal (orizontală sau verticală); - după forma şi tipul magazinului de scule (magazin disc, cu lanţ etc.); - după tipul unităţii de transfer a sculei (cu mână mecanică simplă sau dublă, cu mâini mecanice şi mecanisme de transfer etc.). Schema de principiu a unui centru de prelucrare cu magazin de scule tip lanţ se prezintă în figura 2.2 . Lanţul L al magazinului de scule execută mişcarea I , pentru aducerea sculei programate în poziţia corespunzătoare transferului ei în arborele principal AP. Pentru aducerea sculei S din magazin în AP se utilizează două mâini mecanice M 1 şi M 2 şi manipulatorul MA. Când scula selectată S ajunge în poziţia de pe desen, mâna mecanică execută mişcările II şi III , o extrage din locaşul său şi o transportă în manipulatorul MA, care se roteşte cu 90o în direcţia IV , aducând axa sculei paralelă cu cea a AP . Sania portmanipulator PM se deplasează pe verticală (V ) şi aduce mâna mecanică dublă M 2 în poziţia corespunzătoare sculei din MA. Mâna M 2 execută mişcările VI şi VII , scoate scula şi o introduce în AP , iar pe cea din AP o aduce în manipulator şi prin M 1 din nou în magazinul de scule. Sania PM se deplasează în poziţia de lucru şi prelucrează piesa P ce se găseşte fixată pe masa MR , care are mişcările VIII, IX şi X . Mărirea productivităţii prelucrării pe maşinile-unelte se poate realiza prin suprapunerea operaţiilor procesului tehnologic, adică realizarea lor simultană. Maşina-unealtă agregat reprezintă un sistem de maşini montate pe acelaşi batiu şi care serveşte la executarea unui proces tehnologic de prelucrare prin aşchiere, ce cuprinde operaţii de strunjire, găurire, adâncire, alezare, lamare, filetare, strunjire etc. II
MA M VII M2 1
S
IV
III
L
V
VI S
I
PM
AP XI
P MR X
IX
VIII
Figura 2.2. Schema de principiu a unui centru de prelucrare cu magazin de scule cu lanţ: S - sculă; L - lanţ; MA - manipulator; M 1 , M 2 - mâini mecanice; PM - sanie portmanipulator; MR - masa centrului de prelucrare; AP - ax principal; P - piesa de prelucrat; I, II, … ,XI mişcările necesare prelucrării.
În timpul prelucrării, piesa poate rămâne într-o singură poziţie, maşina având un singur post de lucru (monopoziţională) sau îşi poate schimba succesiv
poziţia, maşina având mai multe posturi de lucru (multipoziţionale). Prelucrarea se poate efectua după o direcţie de prelucrare sau după mai multe direcţii de prelucrare, maşinile - unelte agregat putând fi cu transfer circular sau cu transfer liniar . Câteva tipuri caracteristice de maşini-unelte agregat se prezintă în figura 2.3. Multipoziţională cu transfer circ Monopoziţională Cu o direcţie de prelucrare
Cu mai multe direcţii de prelucrare
Piesa Piesa Masa maşinii a
Masa
Alimentare Evacuare
Masa
Cu masă indexată
b c
Figura 2.3. Tipuri caracteristice de maşini-unelte agregat: a - cu o direcţie de prelucrare; b - cu mai multe direcţii de prelucrare; c - multipoziţională cu transfer circular.
Caracteristica fundamentală a unei maşini-unelte agregat este aceea că în compunerea ei intră elemente normalizate, tipizate, în construcţie modulară, structura ei fiind determinată de criteriile: forma, dimensiunile şi precizia de prelucrare a pieselor, productivitate, criteriul tehnologic şi criteriul cinematic. Linia automată de maşini - unelte reprezintă un sistem de maşini, dispuse într-o succesiune tehnologică, ce înglobează şi mijloacele de transfer, de înmagazinare, de comandă etc. Posturile de lucru din componenţa liniei, asigură mişcările de lucru necesare îndeplinirii unui proces tehnologic de prelucrare, control, montaj etc. Funcţionarea ritmică a unei linii automate se caracterizează prin tactul sau ritmul τ al liniei, care reprezintă perioada ciclului ei de lucru (timpul de lucru scurs între ieşirile de pe linie a două piese succesive). Cele mai răspândite sunt liniile automate realizate din maşini-unelte agregat plasate în flux direct, cu legătură rigidă între posturile de lucru sau în flux cu legătură elastică între posturile de lucru.
2.2.1. Centre de prelucrare prin strunjire Centrele de prelucrare prin strunjire utilizează trei tipuri de subansamble pentru stocarea sculelor: - magazinul tambur, unde sculele sunt depozitate pe un platou circular, cu o capacitate de 40-60 de scule; - magazinele cu lanţ, unde sculele sunt stocate împreună cu port-sculele, iar în acest caz capacităţile de stocare sunt destul de mari (peste 60 de scule), dar timpul necesar schimbării unei scule este relativ mare, de ordinul 10-15 secunde;
- capul revolver, ce poate avea 6-12 posturi. Numărul de posturi este limitat, dar timpul necesar schimbării sculelor este foarte scurt, de ordinul 3-5 secunde. Firma Krupp Widia a dezvoltat mai multe forme de depozitare a sculelor, într-un magazin central, numit WIDAFLEX. Din aceste magazine centrale, sculele sunt tranferate în magazine specifice diferitelor centre de prelucrare (cu lanţ, tambur, platou). Pentru a putea cunoaşte în permanenţă starea sculelor centrele de strunjire au echipamente de supraveghere a degradării accidentale şi uzurii normale a muchiei aşchietoare. Detectarea spargerii plăcuţei aşchietoare (metalo-ceramice sau mineralo-ceramice) sau a ruperii sculei este, în general, realizată prin trei metode: - detectarea zgomotului provocat de spargere; - sesizarea unui vârf de putere absorbită de motorul arborelui principal şi/sau a motoarelor de avans (este soluţia frecvent folosită de către constructorii de maşini unelte ce folosesc monitorizarea şi vizualizarea consumului de putere, Sandvik-Coromant) - detectarea vibraţiilor. Procedeele folosite pentru controlul uzurii sculelor se pot împărţii deasemenea în: - procedee directe când măsurarea uzurii se face pe scula propriu-zisă; - procedee indirecte când se deduce uzura sculei prin măsurarea altor mărimi fizice. Principalele procedee directe folosite pentru măsurarea uzurii sculei sunt: - măsurarea distanţei sculă piesă ce se realizează cu ajutorul comparatorului pneumatic integrat în corpul sculei (figura 2.4). plăcuţă
jet
intrare aer
Figura 2.4. Măsurarea uzurii sculei cu ajutorul comparatorului pneumatic
- măsurarea suprafeţei de uzură pe faţa de aşezare a sculei: - se foloseşte cantitatea de lumină reflectată, iar sursa poate fi o rază laser, citirea realizându-se cu ajutorul celulelor fotoelectrice cu cameră video (metodă iniţiată de cercetătorii de la Universitatea din Tokyo) (figura 2.5.) laser
plăcuţă
Cameră de luat vederi
Suprafaţă uzată
Figura 2.5. Măsurarea uzurii sculei cu ajutorul cantităţii de lumină reflectată
- diminuarea progresivă a rezistenţei lipită în prealabil pe suprafaţa de aşezare a pastilei (Universitatea din Tokyo); - măsurarea rezistenţei de contact între piesă şi sculă (firma John Deere) - citirea formei uzurii pe faţa de aşezare ( cel mai des se foloseşte o sursă laser): vizualizare cu ajutorul camerei video (Compania General Electric); analiză prin deplasarea unei fibre optice ( Universitatea din Pisa). Procedeele directe cele mai folosite sunt cele care folosesc palparea muchiei tăietoare, măsurarea cantităţii de lumină reflectată pe suprafaţa uzată şi strălucitoare şi vizualizarea formei suprafeţei uzate. Cele mai folosite procedeele indirecte de măsurare a uzurii sculei sunt: - evoluţia dimensiunilor piesei – variaţiile dimensionale determinate de instabilitatea termică sunt mai greu controlabile, atunci cellate variaţii dimensionale corespund uzurii piesei; - măsurarea efortului de aşchiere sau direcţia sa (portsculă dinamometrică, măsurarea intensităţii la motoare). Procedeul este dificil de aplicat pentru eforturi mici de aşchiere (unghiuri mici, adâncimi mici). Principiul este aplicat de firmele Sandvik-Coromant, Valerite-Modco, Werner etc.); - măsurarea uzurii pe faţa de aşezare prin analiza vibraţiilor de pe portsculă (Universitatea din Florenţa); - măsurarea emisiilor acustice la aşchiere (figura 2.6.) – impulsuri datorate eliberării succesive de energie de coeziune internă a materialului (Universitatea din Kobe); - determinarea volumului de material îndepărtat de pe sculă prin măsurarea piederii de radioactivitate (în prealabil implantată omogen în pastila aşchietoare a sculei – Universitatea din Birmingham)
Traductor Traductor de forță Amplificato r
Preamplificat or Filtru trece banda Discriminat or
Calculator
Figura 2.6. Instalaţie de supraveghere a uzurii sculei aşchietoare prin emisie acustică
Unda de emisie acustică este generată ca rezultat al frecării de pe faţa de degajare a sculei şi eliberării rapide a energiei din interiorul materialului prelucrat, în asociere cu deformarea şi fisurarea materialului aşchiei. În momentul deteriorării tăişului sculei, semnalul de emisie acustică are o variaţie importantă, relativ uşor de detectat. În figura 2.4. este prezentată schema unei instalaţii de supraveghere a stării sculei, bazată pe modificarea mărimii forţei de aşchiere şi emiterea de vibraţii acustice (EA), iar rezultatele sunt procesate cu ajutorul calculatorului. Metodele indirecte cele mai folosite sunt cele care folosesc măsurarea efortului la aşchiere şi evoluţia dimensiunilor piesei prelucrate. Cu ajutorul acesteia din urmă se obţine de fapt nu numai evoluţia uzurii, dar şi controlul imediat al dimensiunilor suprafeţelor prelucrate. Este cunoscut faptul că dinamica forţelor de aşchiere determină apariţia vibraţiilor în structura maşinii unelte şi în aceste condiţii s-a demonstrat faptul că aceste vibraţii se modifică în funcţie de uzura sculei, iar deteriorarea tăişului sculei determină apariţia unui vârf de amplitudine într-o anumită plajă de frecvenţă a valorii medii medii pătratice a semnalului de vibraţii.
2.2.2. Centre de prelucrare prin frezare şi găurire Sistemul de fixare al sculei se bazează în majoritatea cazurilor, pe suprafaţa conică a suportului, fapt ce determină ca modurile de sticare a sculelor să difere puţin de cele folosite la centrele de strunjire. În cazul acestor centre de prelucrare se următoarele moduri de stocare a sculelor: - magazine cu platou, de capacitate relativ limitată (de ordinul a 60 de scule), uneori interschimbabile;
- magazine cu lanţ , care au capacităţi mai mari de stocare (>150 de scule), schimbarea se face sculă cu sculă, iar magazinele sunt solidare cu maşina. Alegere centrului de prelucrare pentru un anumit proces tehnologic se face având în vedere următoarele criterii determinante: - rapiditatea schimbării sculei, incluzând timpul de deplasare a broşei pentru a ajunge la punctul de întâlnire cu mâna mecanică ce schimbă scula (de ordinul a 4 secunde); - accesibilitatea magazinului de scule , care implică modalitatea de a ajunge la scule şi de a le înlocui, adică uşurinţa schimbării automate a sculei; - traiectoria şi geometria schimbătorului de scule (frecvent o mână mecanică) care nu trebuie să ameninţe securitatea procesului de deservire. Ca şi în cazul centrelor de strunjire, controlul stării sculelor presupune cunoaşterea uzurii normale a muchiei aşchietoare sau a distrugerii accidentale. În acest caz sculele fiind rotative şi cu mai mulţi dinţi aşchietori, procedeele de urmărire a uzurii sunt diferite. Astfel procedeele de urmărire a uzurii sculelor ce echipează centrele de prelucrare prin frezare şi găurire se grupează în procede directe şi procedee indirecte. Principalele procedee directe folosite la determinarea uzurii sculelor sunt: - măsurarea uzurii pe faţa de aşezare - prin reflectarea unui fascicul laser sincronizând procesul de citire cu rotaţia sculei, folosind principiul stroboscopic; - măsurarea reculului tăişurilor aşchietoare - cu jutorul unui traductor capacitiv se măsoară amplitudinea tensiunii alternative între vârful unui palpator şi suprafaţa uzată, se calculează distanţa şi se deduce uzura sculei (figura 2.7) d
Figura 2.7. Măsurarea reculului tăişurilor aşchietoare
Procedeele indirecte folosite pentru determinarea uzurii sculelor aşchietoare au în vedere următoarele elemente: - evoluţia dimensiunilor pieselor prelucrate (ca la strunjire); - măsurarea eforturilor de aşchiere ( ca la strunjire), procedeu utilizat de Graffenstaden, Fritz Werner; - măsurarea emisiilor acustice (ca la strunjire);
- determinarea volumului de material îndepărtat de pe sculă (ca la strunjire).
2.3. Maşini-unelte cu comandă adaptivă În cazul prelucrării pe maşinile-unelte clasice şi pe MUCN, parametrii ce definesc intensitatea proceselor de prelucrare sunt de natură cinematică (avansul, viteza de aşchiere, adâncimea de aşchiere etc.), iar procesul de aşchiere este însoţit de fenomene statice, dinamice, termice, chimice, complexe. Aceste fenomene influenţează hotărâtor indicatorii tehnico - economici, deoarece apar o serie de neajunsuri ca : - regimul de lucru stabilit nu asigură încărcarea uniformă şi la întreaga capacitate a sistemului tehnologic pe tot parcursul timpului de bază; - pentru atingerea unui anumit grad de precizie al prelucrării, se prevede efectuarea unui număr mai mare de treceri, deoarece nu se cunoaşte exact comportarea sistemulu tehnologic. Aceste dezavantaje sunt înlăturate prin introducerea comenzii adaptive. Caracteristic acestui sistem de comandă este faptul că, în cursul desfăşurării procesului de aşchiere, nu se menţin constanţi parametrii convenţionali ai regimului de aşchiere ci dimpotrivă, aceştia variază, astfel încât între ei să se păstreze anumite relaţii. Reglarea regimului de lucru constă deci în stabilirea setului de relaţii care asigură ca procesul de prelucrare să se realizeze la indici tehnico - economici optimizaţi.Comanda adaptivă (AC) este implementată frecvent la MUCN, deoarece acestea au multiple posibilităţi de control. Maşinile dotate cu AC (figura 2.8) dispun de un circuit de reacţie suplimentar, care, culegând valorile parametrilor procesului indicate de un sistem de senzori, le prelucrează şi elaborează decizii în legătură cu strategia de optimizare adaptivă. Calculator
Calculator
Comenzigeometrice Unitate de Comenzitehnologice comandă numerică
Unitate de comandă numerică
Reacţie de poziţie a Comenzigeometrice Comenzitehnologice
Maşină Servomotoare unealtă
Maşinăunealtă
Senzori
Reacţie de poziţie Corecţii de avansuri şi turaţii
Unitate de comandă adaptivă
Semnale de ieşire
b
Figura 2.8. Schemele de principiu ale maşinilor-unelte: a - cu comandă numerică; b - cu comandă adaptivă.
Prin intermediul senzorilor se măsoară alţi parametrii decât cei convenţionali cum ar fi: componentele forţei de aşchiere, puterea absorbită, uzura sculei, dimensiunile suprafeţei prelucrate, amplitudinea vibraţiilor sistemului tehnologic, temperatura zonei de lucru etc. Sistemele de comandă adaptivă se împart în două categorii: - sisteme ACC (Adaptive Control Comand), care permit ca anumiţi parametrii ai procesului ( cei mai importanţi) să fie menţinuţi între anumite limite, în acest scop reglând permanent parametrii cinematici ai procesului; - sisteme ACO (Adaptive Control Optimisation), care permit, pe baza unei funcţii de eficienţă (costul, productivitatea, profitul etc.), să se calculeze permanent valorile optime ale parametrilor, folosind ca date de intrare semnalele culese de senzori. Sistemele de comandă adaptivă (îndeosebi ACO ) sunt încă puţin răspândite din cauza dificultăţilor tehnice de realizare a senzorilor.
2.4. Sisteme flexibile de prelucrare. Schimbarea frecventă a produselor şi cerinţele tot mai mari de diversificare a acestora implică necesitatea ca un număr tot mai mare de piese să poată fi prelucrate în serii mici sau unicat, în condiţii de productivitate şi eficienţă ridicată. A apărut astfel necesitatea realizării unor sisteme tehnologice cu o mare flexibilitate, sisteme cu mare capacitate de adaptare rapidă şi economică la un program de fabricaţie variabil în condiţiile unei automatizări a procesului de producţie. Scurtarea timpilor de producţie, micşorarea suprafeţelor de producţie, sistematizarea proceselor de producţie, posibilitatea lucrului în regim continuu cu o productivitate maximă sunt principalele avantaje ale unui sistem flexibil de prelucrare. Sistem de transport scule
Depozit scule
Scule
Flux de materiale Sistem
Supraveghere sculă
Flux de informaţii Calculator
de
de proces
prelucrare
Informaţii
Sistem de verificare
Sistem de transport piese
Depozit piese
Piese
Figura 2.9. Structura unui sistem flexibil de prelucrare.
Structura unui sistem flexibil de prelucrare se prezintă în figura 2.9 . Calculatorul comandă echipamentele numerice ale celulelor din structura sistemului, fluxul de semifabricate şi piesele, alegerea seriei de piese în lucru, numărul de piese din serie, fluxul de scule, supraveghează funcţionarea sistemului şi efectuează calcule de optimizare a procesului de prelucrare. Sistemele flexibile se clasifică după trei criterii de bază : după caracteristica producţiei, după tipurile caractersirice de forme ale pieselor prelucrate şi după tipul maşinilor-unelte ce fac parte din sistem . Opţiunea pentru o maşină-unealtă cu comandă numerică, un centru de prelucrare, o maşină-unealtă agregat, o linie automată sau un sistem flexibil de prelucrare se face numai în urma unor calcule de eficienţă economică deoarece investiţiile necesare realizării lor sunt foarte mari.
2.5. Maşini unelte cu comandă numerică 2.5.1. Noţiuni generale privind maşinile unelte cu comandă numerică Maşinile unelte cu comandă numerică constituie un element esenţial al sistemelor avansate de producţie. Prima serie de CN disponibile comercial datează încă din anul 1954, unitatea de control fiin construită cu circuite analogice. A doua generaţie apare în anul 1959 şi utilizează componente discrete, pentru ca apariţia în anii 1960-1970 a CNC (Computer Numerical Control) şi a DNC (Direct Numerical Control) să marcheze o evoluţie spectaculoasă în acestă direcţie. CNC oferă avantajul unui control flexibil software, asigurat de microcalculatorul propriu al maşinii, care poate fi scimbat sau extins prin reprogramare prin comparaţie cu comenzile hardware rigide utilizate anterior. DNC este un concept care constă în legarea fizică, directă, a maşinilor unelte şi a roboţilor la calculator în scopul transmiterii şi recepţionării datelor. Primele sisteme DNC au fost implementate în 1967/1968, în SUA şi Japonia. Scopul dezvoltării a constat în simplificarea administrării şi distribuirii programelor CN. Principalele funcţii DNC au fost stabilite prin directiva VDI 3424 începând cu anul 1972, conform căreia funcţiile DNC se împart în funcţii de bază şi funcţii auxiliare. Funcţiile de bază constau în administrarea programelor (înregistrare program, reglarea la deblocare, introducerea protocolului, securitatea datelor), distribuirea programelor CN (coordonarea, transmisia, securitatea transmisiei, posibilitatea încărcării suplimentare), corecţie (corecţie temporară sau permanentă) şi prelucrarea corecţiilor (utilizarea aparatului de reglare anticipată a uneltelor, pregătirea valorilor de corectură).
Funcţiile auxiliare constau în alcătuirea programelor CN (funcţii de programare CN, postprocesare), colectarea datelor maşinilor şi a datelor de funcţionare (colectare şi prelucrare), ghidarea fabricaţiei (administrarea comenzilor, colectarea deranjamentelor, reavizarea, administrarea uneltelor), executarea centrală a funcţiilor CN (încărcare program CN, realizarea programelor CN), executarea fluxului de materiale (transportul de materiale şi unelte, comanda aparatelor de manipulare). Din concept se deosebesc sisteme fără posibilitatea executării centrale de funcţii, terminal DNC, şi cu posibiltatea executării centrale de funcţii “remote DNC”. În ciuda avantajelor funcţionării DNC, în comparaţie cu funcţionarea cu benzi perforate, acestea din urmă încă se mai utilizează şi astăzi. În ultimii ani definiţia DNC (Direct Numerical Control) este transformată de unii autori în Distributed Numerical Control. Capacitatea unui ofertant DNC este dovedită de cuplarea maşinilor unelte, iar foarte importantă este configuraţia şi standardul de comunicare utlizat. Există astăzi numeroase pachete de programe care permit elaborarea programelor pentru maşinile cu comandă numerică. Legătura electronică între compartimentele de proiectare, de planificare a proceselor şi de fabricaţie sprijină utilizatorul în toate fazele programării CN prin intermediul unor tehnici de lucru confortabile şi a unei interfeţe utilizator grafic-interactive comandată prin meniuri. Programele sunt astfel concepute încât se pot integra într-un sistem CAE (Inginerie asistată de calculator) sau pot funcţiona independent. Prelucrarea datelor geometrice se efectuează grafic interactiv prin tehnici de proceduri CN sau cu ajutorul unei intefeţe CAD. Nucleul pachetului de programe este reprezentat de un procesor care are sarcina de a transforma secvenţele de lucru în fişiere tehnologice pentru MUCN. Aceste fişiere cuprind şi date cuprinzătoare despre materiale şi scule, bazate pe experienţa specialiştilor care au contribuit sau au fost consultaţi la dezvoltatrea software-ului. Sistemele pentru realizarea programelor CN pot fi convenţionale (porneşte de la desenul piesă care defineşte geometria componentelor care trebuie prelucrate, incluzând datele tehnologice şi se realizează programul uitilizându-se un limbaj de programare axat pe subsetul CN al maşinii) şi iteractiv (programatorul dezvoltă programul de piesă lucrând interactiv, procesorul determinând validitatea fiecărei stări sau intrări). În concluzie pachetele de programe ce permit programarea comodă şi rapidă a MUCN trebuie să realizeze în acelaşi timp legătura între compartimentul de fabricaţie şi cel de proiectare. De o deosebită importanţă sunt în acest caz standardele de transfer a datelor între CAD (Proiectare asistată de calculator), CAP (Proiectarea activităţilor asistată de calculator) şi CAM (Fabricaţia asistată de calculator), care asigură compatibilizarea informaţiilor.
2.5.2. Programarea manuală a MUCN După modul de realizare a tehnologiei de programare a MUCN se deosebesc două moduri de programare: manuală şi asistată de calculator. În cazul programării manuale, fluxul informaţional este cel prezentat în figura 2.10. Fişă de reglare a sculelor
Desen piesă Tehnolog
Plan de operaţii
Programator
Tabel programpiesă
Reformare Unitate de bandă control
Desenul de poziţionare a semifabricatului
MUCN
Piesa finită
Figura 2.10. Fluxul informaţional la programarea manuală a MUCN
Tehnologul elaborează planul de operaţii şi pentru operaţia ce se va executa pe o MUCN elaborează în plus următoarele documente: - desenul de poziţionare şi prindere al semifabricatelor pe MUCN ; - fişa de reglare a sculelor la cotele necesare ; - tabelul program-piesă, folosind limbajul acceptat de ECN cu care este dotată maşina -unealtă. Tabelul program-piesă este convertit în bandă perforată (programul maşinii), folosind după caz codul ISO sau FIA -PC8 - B. Banda perforată este introdusă în ECN , semifabricatul se prinde pe masa maşinii-unelte, sculele (reglate în prealabil) se prind în magazia de scule (sau în capul revolver), se introduc corecţiile (de sculă, de origine etc.) şi se face prelucrarea exemplarului de probă. Tabelul program-piesă este o suită de blocuri de informaţii prin care se comandă maşinii datele necesare executării fiecărei faze de prelucrare şi succesiunea în care maşina trebuie să le execute (indicată de tehnolog în planul de operaţii). Fiecare rând din tabelul program-piesă cuprinde informaţiile dintrun bloc, care transpuse pe banda perforată, sunt citite de maşină, memorate, interpretate şi apoi executate. Informaţiile sunt deci convertite de două ori: - din planul de operaţii în tabelul program-piesă, folosind sistemul adreselor corespunzătoare ECN utilizat; - din tabelul program-piesă, pe banda perforată folosind codul ISO sau PC8-B.
În prezent se utilizează două sisteme de scriere formală: numerică (prin tabulare) şi alfa - numerică (prin adrese). Sistemul adreselor are drept elemente specifice formatul frazei (blocului), semnificaţia şi modul de scriere al adreselor. Formatul frazei se compune dintro suită de cuvinte de comandă, fiecare cuvânt fiind compus dintr-o adresă (notată alfabetic) şi un număr (figura 2.11). Adresele sunt de trei feluri: - geometrice - indică deplasări ale organelor mobile ale MUCN pe direcţiile axelor de coordonate (de exemplu numerele 34500, 47700 şi 00455, înscrise în tabelul 2.1 reprezintă deplasările care urmează a fi făcute pe axele X, Y, Z). Tabelul 2.1 Tabelul cu informaţii geometrice
G 02 04
X 34500 55200
Y 47700 44500
Z S 00455 06 66600 08
F 22 16
T 02 05
M 14 12
EOB EOB EOB
Codificarea adreselor geometrice se face prin precizarea direcţiei de deplasare, sensului, valorii şi preciziei deplasărilor (de exemplu, la- desenul de poziţionare şi prindere al semifabricatelor pe un format de scriere cu 6 cifre, cu precizia deplasărilor de 0,01 mm, cota y + 182554 se va citi y = 1825, 54 mm). - tehnologice - se referă la comenzi care acţionează asupra parametrilor regimului de aşchiere şi la indicarea sculelor necesare. Comenzile sunt efectuate de ECN pe baza următoarelor adrese: F - indică viteza de avans; S - turaţia arborelui principal; T - o anumită sculă. Codificarea conţinutului adreselor tehnologice se face prin trei metode: codificarea directă, simbolică şi în progresie geometrică (de exemplu, S 1500 în codificare directă reprezintă turaţia axului principal egală cu 1500 rot/min.; F 125 reprezintă viteza de avans de 125 mm/min.; T 08 înseamnă rotirea capului revolver în sens trigonometric pentru aducerea în poziţia de lucru a sculei din locaşul 8).
8 76 5 4
3 2 1 Adresă
Cuvânt
x 9 5 6
Cuvânt de comandă
2 Adresa
5
Conţinutul comenzii
Y Y
3
34658
6 8 7 5
Bloc (frază)
X95425
Y 65930
S450 TO3
Z 4 8 1
Informaţii geometrice
Informaţii Informaţi tehnologice auxiliare
Bloc de informaţii = frază
T 0 M 0 4 EDB
Figura 2.11. Organizarea informaţiilor în cadrul unui bloc.
- adrese auxiliare şi preparatorii - se referă la efectuarea unor comenzi foarte diferite, necesare fie ECN, fie MUCN. Ele se notează cu G şi M urmate de un grup de cifre care semnifică conţinutul adresei. Codificarea conţinutului diferitelor tipuri de adrese nu este în prezent unanimă, de aceea, pentru fiecare caz în parte, este necesară consultarea cărţii ECN. Ordinea adreselor într-o frază nu este întâmplătoare. În general trebuie respectată următoarea ordine: N - numărul frazei; G - adresa pregătitoare; X,Y,Z - adrese geometrice (deplasări liniare); F, S, T - adrese tehnologice (avans, turaţie, sculă). În afară de adrese şi conţinutul acestora în scrierea formală, mai sunt utilizate foarte multe simboluri, a căror semnificaţie se găseşte în cartea ECN.
Z
φ 14
φ 10
4
5 15
X 10
φ 8,5 Y 5
A
C
B
15
R5
D
15
40 X
O p
17
23
25
23
10 5
Figura 2.12. Operaţie executată pe maşina de găurit tip GPR-45-NC.
Un exemplu de întocmire manuală a programului, corespunzător operaţiei din figura 2.12. executată pe o maşină de găurit tip GPR - 45 NC fabricată de Înfrăţirea Oradea, este dat în tabelul 2.2 (tabelul program-piesă corespunzător).
2.5.3. Programarea asistată de calculator a MUCN Programarea manuală a MUCN necesită cheltuieli mari de muncă şi timp, acestea crescând foarte rapid cu complexitatea piesei. De aceea, pentru simplificarea proiectării tehnologiilor de prelucrare pe MUCN se foloseşte sistemul de programare asistată de calculator. În acest caz, proiectarea unei tehnologii de prelucrare presupune întocmirea documentaţiei tehnologice convenţionale (plan de operaţii, fişe tehnologice etc) şi, pentru fiecare operaţie ce se execută pe MUCN, elaborarea fişei program-piesă, introducerea în calculator a datelor pe care acesta le conţine şi obţinerea benzii perforate. Fluxul informaţional la programarea asistată de calculator a MUCN se prezintă în figura 2.13.
Tabelul 2.2. Tabelul Program - piesă ; Maşina GRP-45 NC
N C G X 001 002 003 004 005 006 007 008 009 010 011 012 013 014 015 016 017 018 019 020 021
Y
Z
F S T
G00 G54 X001700
M
S09 T011 M04 Y001500 Z002700 Z000600 F21 Z002700
G00
M07
X008800 Z000600 F21
M07 M05
G00 X00400
Z002700 S08 T024 Z000600 F23 M07 Z002700
G00 X006500
Z000600 F23 Z002700
G00 X001700
M05 S12 T036
Y001500 Z002000 F20 Z002700
G00
M07
Y004550
G40
Z002100 X-010000 Y007000
M02
Observaţii Poziţionare pe X în A Poziţionare pe Y în A Poziţionare pe Z în A Burghiere φ 8,5 în A Retragere rapidă pe Z Poziţionare pe X în O Burghiere φ 8,5 în D Retragere rapidă pe Z Poziţionare pe X în B Burghiere φ 10 în B Retragere rapidă pe Z Poziţionare pe X în C Burghiere φ 10 în C Retragere rapidă pe Z Poziţionare pe X în A Poziţionare pe Y în A Lărgire φ 14 în A Retragere rapidă pe Z Frezare 15x35x4 Freză deget φ 10 Retragere pentru schimbarea semifabricatului
Spre deosebire de tabelul program-piesă, structura fişei program-piesă are instrucţiuni grupate după caracterul comenzilor, astfel: - instrucţiuni speciale: - identificatorii piesei; - remarcă (dacă este cazul); - identificatorii maşinii-unelte; - identificarea sculelor; - toleranţe de interpolare;
Desen piesă
Tehnolog si cod {Limbaj tehnologic }
Plan de operaţii Programator tehnolog Fişă program - piesă
calculator {Limbaj } APT, EXAPT
Dactilo Program calculator
{ Cod calculator }
Programator calculator Calculator
Procesor Post - procesor
Program maşină Operator MUCN MUCN
Aparatură CN
Piesa prelucrată
Figura 2.13. Fluxul informaţional la programarea asistată de calculator a maşinilor dotate cu ECN.
- calcule matematice. - instrucţiuni geometrice : - setul de puncte; - geometrie; - instrucţiuni tehnologice : - turaţie şi sens ax principal; - avans sau viteză de avans; - modul de răcire al sculei; - comenzi de acţionare a maşinii-unelte. - instrucţiuni auxiliare : - oprirea lichidului de răcire; - pornirea mişcărilor; - sfârşitul programului.
Pent Pentru ru iden identi tifi fica carea rea pies piesei ei şi a progr program amul ului ui se folo folose seşt ştee indi indica cato torul rul PARTN φ urmat de scrierea în clar a datelor corespunzătoare ( de exemplu : PARTN φ BLOC CILINDRII COMPRESOR BCC 2- 120). Y
P2 PAT 1 8 găuri φ8
P1
P4
P3 6x M6 M6 PAT 3
PAT2
φ 30
P6
P5 X
Figura 2.14. Operaţia de găurire-filetare la piesa CAPAC.
Tabelul 2.3. Structura unei fişe program – piesă 1. PARTN φ EXEMPLU CAPAC 01 2. REMARK / CAPAC (GĂURIRE - FILETARE) 3. $$ DEFIN DEFINIRI IRI GEO GEOME METR TRIC ICE E 4. P1 = POI POINT NT / 10. 10.10 10.0 .0 5. P2 = POI POINT NT / 10. 10.80 80.0 .0 6. P3 = POI POINT NT / 70. 70.90 90.0 .0 7. P4 = PON PONT T / 130. 130.80 80.0 .0 8. P5 = POIN POINT T / 130 130.1 .10. 0.00 9. P6 = POINT / 70.0 10.CIRCLE / CENTREP (1 = POINT / 70.45.0) RADIUS .25 11.PAT1 = PATERN / LINEAR P1.P2.3 12.PAT2 = PATERN / LINEAR P4.P5.3 13.PAT3 = PATERN / ARC. C1.270.CCLW.INCR.5.AT.60 C1.270.CCLW.INCR.5.AT.60 14.M1 = MATRIX / TRANSL..70.45.0 $$ TRANSF ORIG.IN P7 15.REFSYS / M1 16.$$ INSTRUCTIUNI DE MISCARE 17.FROM / 0.0.0 18.CLEARP / XY PLAN 30. 19.TOOLNO / 1.10 20.COOLNT / ON 21.SPINDL / 1500.CLW. 22.FEDRAT / 50 23.CYRCLE / DRILL 24.GOTO / PAT 1 25.GOTO / P 3
26.GOTO / PAT2 27.GOTO / P6 28.SPINDL / OFF 29.TOOLNO / 2.4.5 30.CYERCLE / BORE 31.GOTO / PAT2 32.GOTO / PAT3 33.STOP 34.END 35.FINI Un exemplu de fişe program ram - piesă pentru oper peraţia de găuri urire corespunzătoare piesei din figura 2.14 se prezintă în tabelul 2.3. Fişele program - piesă pot fi întocmite în mai multe limbaje specializate ( APT, IFAPT, EXAPT, ADAPT etc.), fiecare instrucţiune având semnificaţia înscris înscrisăă în cartea cartea - ECN. ECN. Cea mai largă largă uti utili lizare zare la programar programarea ea asista asistată tă de calculator o are limbajul APT, ce se compune dintr-un vocabular de cuvinte englezeşti, cifre şi semne. Opţiunea pentru o MUCN se face în urma unui calcul de eficienţă economică. În stabilirea eficienţei economice trebuie avute în vedere avantajele MUCN faţă de maşinile-unelte clasice: - creşterea productivităţii datorită reducerii timpilor auxiliari şi ai celor legaţi de pregătirea - încheierea fabricaţiei; - posi posibi bili lita tate teaa reluă reluări riii fabr fabric icaţ aţie ieii unui unui repe reperr prin prin refo refolo losi sirea rea benz benzii ii- program, sau a softului specializat existent în biblioteca de programe; - posibilitate posibilitateaa de a utiliza mai multe multe maşini maşini de acelaşi acelaşi fel, prin simpla simpla multiplicare a benzii-program; - reducerea cheltuielilor afectate dispozitivelor şi verificatoarelor; - optimizarea procesului de aşchiere prin folosirea comenzii numerice adaptive etc.
2.5.4. Programarea strungurilor cu comandă numerică Vturn 16/20/26 /36CV (Fanuc 0-TC, 18T-C,0-i controller) Înainte de prelucrarea unei piese pe astfel de maşini unelte sunt necesare o serie de pregătiri şi parcurgerea unor anumite etape. Astfel etapele standard ce se parcurg la prelucrarea unei piese sunt prezentate în figura 2.15.
Desenarea piesei: Determinarea dimensiunilor dimensiunilor importante.
Selectarea sculelor necesare
Scrierea programului optim Verifică puterea de intrare
Verifică nivelul uleiului: ungere,răcire şi hidraulic
Verifică bacurile
Fixează sculele pe turelă
Strunjeşte bacurile dacă este nevoie
Determină Work Zero
Rulează programul în Single Block Mode Porneşte motorul in program test mode
Acum programul poate rula în Auto mode
Figura 2.15. Etapele standard ce se parcurg la prelucrarea unei piese
- Execuţia şi analiza desenului piesei Atunci când este primit desenul de execuţie al piesei, trebuie să fie verificate câteva elemente, iar cel mai important dintre acestea îl reprezintă toleranţele de pe desen. Deasemenea, să se precizeze modul de strângere a piesei în timpul lucrului. Factorii principali ce trebuie avuţi în vedere sunt:
a) toleranţele; b) strângerea piesei şi dacă trebuie să se utilizeze un dispozitiv de strângere; c) sculele folosite la prelucrare; d) tipul de fălci utilizate pentru strângerea între bacuri. - Selectarea sculelor Documentaţia fiecărei maşini unelte cuprinde o serie de prescripţii, iar în cadrul acestora există o listă a suporturilor pentru scule. Pentru a îmbunătăţi eficienţa tăierii, sculele se vor selecta înainte de scrierea programului şi apoi se redactează un grafic cu ordinea operaţiilor de prelucrare, iar după aceasta se montează sculele în suporturi pentru a putea efectua uşor operaţia de schimbare a acestora. Deasemenea în cadrul prescripţiilor fiecărei maşini unelte există o schemă de interferenţă indicând tipul de scule utilizate. În aceste condiţii este necesar să fie consultat desenul de execuţie a piesei şi modul de dispunere a sculelor în timpul prelucrărilor pentru evitarea accidentelor. În figura 2.16 este prezentat un exemplu de proiectare a sculelor necesare pentru fabricarea unei piese.
Figura 2.16. Exemplu de proiectare a sculelor necesare pentru fabricarea unei piese
- Scrierea programului optim Pentru a scrie programul optim, adică, programul cel mai eficient, trebuie să studiată piesa şi trebuie împărţit programul în mai multe secţiuni. În exemplul prezentat în fugura 2.16, programul este împărţit în următoarele patru secţiuni. 1.Degroşarea (Roughing)
2.Finisarea (Finishing) 3.Canelarea (Grooving) 4.Filetarea (Threoding) Deasemenea pentru a putea scrie programul, trebuie să cunoscute perfect toate codurile M şi G. Descriere în detaliu a codului M utilizat M00:Oprire program Operaţia ciclică este oprită după ce a fost executat un bloc care conţine M00.După execuţia comenzii M00, se vor opri toate operaţiile(oprirea rotaţiei arborelui, oprirea comutării pentru lichidul de răcire, oprirea programului).Operaţia ciclică se poate efectua din nou operând NC. M01:Oprire opţională Similar cu M00, operaţia ciclică este oprită după executarea unui bloc care conţine M01.Acest mod este eficient numai atunci când întrerupătorul pentru oprire opţională de pe panoul operatorului maşinii a fost apăsat. M02:Oprire program Aceasta înseamnă că la sfârşitul programului principal, toate valorie de referinţă sunt resetate. M03:Comanda universalului Rotaţia universalului în sens contrar acelor de ceas. M04 :Comanda universalului Rotaţia universalului în sensul acelor de ceas. M05:Oprirea universalului Această comandă este utilizată pentru a opri funcţionarea universalului.În cazul în care viteza universalului este schimbată din gama de înaltă turaţie în gama de turaţie redusă şi de la turaţie redusă din gama de turaţie redusă în gama de turaţie înaltă, deasemena când este schimbată direcţia de rotaţie.Motorul universalului este protejat dacă se utilizează M05. M08:Lichid de răcire ON(conectat) Lichidul de răcire este trimis pentru a răci temperatura piesei care s-a încălzit datorită tăierii. M09:Lichid de răcire OFF(deconectat) M10:Strângere bacuri M11:Desfacere bacuri M12:Scoaterea pinolei păpuşii mobile în afară. M13:Introducerea pinolei păpuşii mobile. M14 :Deblocarea corpului păpuşii mobile Această comandă este utilizată pentru a debloca corpul păpuşii mobile. M15:Blocarea corpului păpuşii mobile Această comandă este utilizată pentru a bloca corpul păpuşii mobile. Observaţie: M14, M15 sunt eficiente numai pentru axa X în poziţia de revenire la 0. M17 :Rotirea turelei în sensul acelor de ceas.
Această comandă este utilizată pentru rotatia în sensul acelor de ceas. M18:Rotaţia turelei în sens contrar acelor de ceas Această comandă este utilizată pentru rotirea în sens contrar acelor de ceas. Observaţie:De obicei turela este rotită într-o direcţie oarecare pentru a alege calea cea mai scurtă. M19:Orientarea universalului ON(Opţional) La maşină cu axă C, M19 este utilizat pentru a opri universalul în poziţia de orientare. M20:Orientarea universalului OFF(Opţional) La maşină cu axa C se utilizează pentru a debloca orientarea universalului. M21:Detectarea erorii ON M22:Detectarea erorii OFF La această CNC, maşina unealtă nu se va opri(viteza de avans =0) la o îmbinare de blocuri în timpul avansului de tăiere în general.Utilizând funcţia respectivă scula poate fi comandată să treacă la blocul următor după încetarea totală a deplasării din blocul anterior astfel încât să se evite rotunjirea la un colţ după cum s-a văzut mai sus.Semnalul SMZ hotărăşte dacă următoarea deplasare va începe ori nu fără a aştepta ca maşina unealtă să se oprească la o îmbinare dintre două blocuri, selectând-o de la 1 ori 0. M23:Chamfering ON Chamfering-ul la ciclul de filetare nu este efectuat. M24 :Chamfering OFF Chamfering-ul la ciclul de filetare este efectuat.Fixaţi valoarea de chamfering la parametrul THDCH de nr.0109.Atunci când ciclul repetitiv multiplu(opţional) există, chamfering-ul este eficient în G76.Unghiul de chamfering este mai mic decât 45 în general, datorită restului de impulsuri din circuitul automat de accelerare/decelerare ori din unitatea servo. M25:Închiderea uşii din stânga(Opţional) La maşină cu uşă automată, comanda M25 este utilizată pentru a închide uşa din stânga. M26 :Deschiderea uşii din stânga(Opţional) La maşină cu uşă automată, comanda M26 este utilizată pentru a deschide uşa din stânga. M27 :Închiderea uşii din dreapta(Opţional) La maşină cu uşă automată, comanda M27 este utilizată pentru a închide uşa din stânga. M28:maşină cu uşă automată, comanda M26 este utilizată pentru a deschide uşa din stânga. M30:Sfârşit de program Comanda M30 este similară cu codul M02.Dacă întâlnim M30 în program, se revine la poziţia iniţială. M31:Interblocare By Pass ON(cuplată) M32:Interblocare By Pass OFF(decuplată)
De obicei universalul nu se poate roti în poziţia de deblocare a bacurilor. Comanda M31 este utilizată pentru a depăşi interblocarea, imprimaţi rotaţie universalului în poziţia de deblocare a bacurilor.Comanda M32 este utilizată pentru ca interblocarea să opereze. Observaţie: M31, M32 operează numai în un bloc ori MDI M51:Ventilatorul cuplat(Opţional) La maşină cu ventilator, comanda M51 este utilizată pentru cuplarea ventilaţiei. M53:Barfeeder ON. M54:Barfeeder OFF. M59:Ventilator decuplat(Opţional) La maşină cu ventilator, comanda M59 este utilizată pentru decuplarea ventilaţiei. M61:Coborârea braţului(Opţional) La maşină cu dispozitiv automat de prefixare a sculei, comanda M61 este utilizată pentru coborârea braţului. M62:Ridicarea braţului(Opţional) La maşină cu dispozitiv automat de prefixare a sculei, comanda M62 este utilizată pentru ridicarea braţului. M70:Numărarea componentelor& verificarea lubrifiantului De obicei când întâlnim M30 în program, contorul va aduna 1.Dacă intervine alarma de lubrifiere, programul nu poate efectua pornirea ciclului.La maşină cu regim de încărcare(de exemplu, dispozitiv de avans cu bară), comanda 70 este utilizată în loc de comanda M30 când o piesă de lucru este finisată contorul va aduna 1 şi va verifica condiţia de lubrifiere. M71:Regim de încărcare cuplat(Opţional) La maşină cu regim de încărcare(de exemplu dispozitiv de avans cu bară), comanda M71 este utilizată pentru începerea funcţionării încărcării. M72:Regim de încărcare decuplat(Opţional) La maşină cu regim de încărcare(de exemplu dispozitiv de avans cu bară), comanda M72 este utilizată pentru a opri funcţionarea încărcării. M73:Dispozitiv de colectare a pieselor în EXTERIOR(Opţional) La maşină cu dispozitiv de colectare a pieselor(de exemplu, dispozitiv de avans cu bară), comanda M73 este utilizată pentru a opri ieşirea în afară a dispozitivului. M74 :Dispozitiv de colectare a pieselor în INTERIOR(Opţional) La maşini cu dispozitiv de colectare a pieselor(de exemplu, dispozitiv de avans cu bară), comanda M73 este utilizată pentru a opri tragerea în interior a dispozitivului. M98:Apelarea unui subprogram . Această comandă este utilizată pentru a introduce un subprogram. M99:Sfârşit de subprogram. Dacă este executată comanda M99 în subprogram, se revine la începutul programul iniţial.
Descriere în detaliu a codului G utilizat G00: Avans rapid G01: Avans de lucru G02: Interpolare în sens orar G03: Interpolare în sens antiorar (trigonometric) G04: Temporizare X-secunde, P-milisecunde G10: Setări date în program G20: Setări în inch G21*: Setări în mm G27: Verificare întoarcere la origine G28: Întoarcere în origine G29: Întoarcere la punctul de start G30: Întoarcere în al doilea punct de referinţă G40: Anulează corecţia de rază G41: Compensaţie rază stânga G42: Compensaţie rază dreapta G50: Setare sistem coordonate G70: Ciclu finisare G71: Ciclu eboş radial int/ext G72: Ciclu eboş frontal G73: Ciclu eboş prin copiere int/ext G80: Anulare cicluri G83: Ciclu găurire intermitentă G84: Ciclu filetare cu tarod G90: Ciclu strunjire ext/int G92: Ciclu filetare int/ext G94: Ciclu finisare int/ext G96: Avans constant pe suprafaţă G97: Turaţie constantă G98: Avans pe minut G99: Avans pe rotaţie Format de program pentru cicluri repetitive multiple >G70 Tăierea de finisare pentru ciclul de deplasare a profilului >G71 Ciclul de degroşare pentru deplasare în direcţia Z (figura 2.17) Format G71P---Q---U---W---D---F---S---T---; P, Q~ Numărul de bloc pentru începerea şi terminarea ciclului. U, W~ Cota de finisare în direcţia X şi Z. D~ Adâncimea de tăiere F~ Viteza de avans S~ Viteza maximă a arborelui
T~
Nr.sculei A D D
C
U/2 B
W
Figura 2.17. Ciclul de degroşare pentru deplasare în direcţia Z
>G72 Ciclul de degroşare pentru deplasarea în direcţia X (figura 2.18) Format G71P---Q---U---W---D---F---S---T---; Vezi G71 pentru explicarea fiecăruia. D A' B
A
Figura 2.18. Ciclul de degroşare pentru deplasare în direcţia X
U/2 C W
>G73 Ciclul de degroşare pentru o deplasare a profilului (figura 2.19) Format G73P---Q---U---W---I---K---D---F---S---; P, Q~ Nr. de bloc pentru pornirea şi terminarea ciclului U, W~ Cota de finisare în direcţia X şi Z. I, K~ Adâncimea de tăiere în direcţiile X şi Z. D~ Nr. de tăieri K+W
A' I+U/2
A
C
I U/2 B
W
K
Figura 2.19. Ciclul de degroşare pentru o deplasare a profilului
>G74 Ciclul fix repetitiv de găurire/canelare frontală G74R_____; G74X__ Z__ P__ Q__ R__ F__ R Coeficient de retragere(primul rând) pe axa Z. X Valoarea diametrului ultimei tăieri. Z Punct terminal pe axa Z. P Deplasare incrementală pe axa X(omisă la găurirea prin ciocănire) Q Mărimea găurii pe axa Z R Coeficient de deblocare la partea de jos a tăierii F Viteză de avans >G75 Ciclu repetitiv fix de canelare a diametrului exterior G75R__; G75X__ Z__ P__ Q__ R__ F__ R Coeficient de retragere(primul rând) pe axa Z. X Valoarea diametrului ultimei tăieri. Z Punct terminal pe axa Z. P Deplasare incrementală pe axa X(omisă la găurirea prin ciocănire) Q Mărimea găurii pe axa Z R Coeficient de deblocare la partea de jos a tăierii F Viteză de avans >G76 Ciclu repetitiv fix de filetare
G76P___Q___R___; G76X___ Z___ R___ P___ Q___ F___; P 6 cifre(primul rând), nr. zecimal de exemplu P035060.Primele 2 cifre sunt numerele trecerilor de finisare, următoarele 2 cifre reprezintă coeficientul de chamfering al fieltului(50% din avans), următoarele 2 cifre reprezintă unghiul inserţiei(60%). Q coeficientul de retragere(primul rând) pe axa Z. R coeficientul de retragere(primul rând) pe axa Z. X diametru mic.La filetarea diametrului exterior, diametrul mare.La filetarea diametrului interior. Z punct terminal pe axa Z. R diferenţa de rază a filetului la operaţia de filetare a ţevilor(omiteţi în cazul fieltelor drepte). P Înălţimea filetului(valoarea razei). Q Adâncimea primei treceri. F Viteza de avans(pasul filetului). >G90 Ciclu de strunjire G90X___ Z___ R___ F___;(G90 este cod A, schimbaţi la G77 pentru cod B) X,Z Poziţie terminală R Diferenţa de rază la punctul terminal al lui Z(numai pentru strunjirea conică, omiteţi la filetele drepte) F Viteză avans >G92 Ciclu fix de filetare G92X___ Z___ R___ F___; (G90 este cod A, schimbaţi la G78 pentru cod B) X, Z Poziţie terminală R Diferenţa de rază în punctul terminal al lui Z(numai pentru strunjirea conică, omiteţi la filetele drepte) F Viteză avans >G94 Ciclu fix de strunjire frontală G94X___ Z___ R___ F___; (G90 este cod A, schimbaţi la G79 pentru cod B) X, Z Poziţie terminală R Diferenţa de rază în punctul de pornire şi terminal al lui Z(omiteţi la filete drepte) F Viteză avans >G96 Conectarea comenzii pentru avans constant transversal la strunjire plană G96S___; S Viteza dorită de avans transversal la strunjire plană în m/mm.
Format de program cu exemple >Exemplu de teşire şi îmbinare la colţuri (figura 2.20)
R 5 C 5 R5
1 40 12 0
7 0
3 0
Figura 2.20. Exemplu de teşire şi îmbinare la colţuri
O0001; O0002; G00 G96 S160 T0101; G50 S2000; M03; G00 G96 S160; G00 X30.0 Z3.0 M03; G01 Z-15.0 F0.3; G00 X30.0 Z3.0; G02 X40.0 Z-20.0 R5.0; G01 Z-20.0 R5.0 F0.3; G01 X60.0; X70.0 C-5.0; X70.0 Z-25.0; Z-45.0 C5.0; Z-40.0; X120.0 R-5.0; X80.0 Z-45.0; Z-65.0; X110.0; X-150.0; G03 X120.0 Z-50.0 R5.0; G00 X160.0 Z15.0 M5; G01 Z-65.0; T0100; X150.0; M30; GOO X160.0 Z15.0 M05; T0100; M30; >Exemplu de piesă de lucru reală (figura 2.21) 1C 2C
60
M30 x P2.5
4 4 30
0
Figura 2.21. Exemplu de piesă de lucru reală
O0001; N100 G50 S2400; G00 T0202 M42; G96 S130 M03; M08; X68.0 Z5.0; G01 Z0.1 F1.0; X-2.0 F0.25; G00 X65.0 Z1.0; G71 U4.0 R1.0; G71 P101 Q108 U0.3 W0.1 F0.25; N101 G00 X24.0; N102 G01 X30.0 Z-2.0 F0.15; N103 Z-31.0; N105 X40.0 Z-33.0; N106 Z-46.0; N107 X58.0; N108 X61.0 Z-47.5; G00 X200.0 Z100.0; M01; N200 G50 S2000; G00 G96 S100 T0404 M42; M03; M08; X43.0 Z3.0; Z-31.0; G01 X22.0 F0.1; G00 X42.0; X 200.0 Z 100.0; M01; N300 G50 S2400; G00 S200 T0606 M42; M03; M08; X65.0 Z1.0; G70 P101 Q108; G00 X200.0 Z100.0; M01; N400 G50; G00 T0808 M42; G97 S1000 M03;
M08; X35.0 Z5.0; G92 X29.5 Z-26.0 F2.5; X29.0; X28.6; X28.2; X27.8; X27.5; X27.2; X26.85; X26.75; G00 X200.0 Z100.0 M09; M30; Observaţie: Când utilizaţi comanda G76, utilizaţi codul următor, G76 P0011060 Q100 R0.1; G76 X26.75 Z-27.0 P3250 Q1000 F2.5; >Programarea axei C În paginile următoare sunt prezentate diversele operaţii de programare a acestei piese prin strunjirea în formă de V 16/60 CV (figura 2.22)
Observaţie:Toate dimensiunile sunt în inch. Figura 2.22 Piesă obţinută prin strunjirea în formă de V 16/60 CV
Format de program O0003(PROGRAM DE SPECIALIZARE) M46 G50 S2500 G40 G20 G99 N10 G00 X5.0 Z5.0 T0202(STRUNJIRE DE DEGROŞARE) G96 S700 M03 G00 X1.6 Z.1M08 În continuare avem o divizare în primele 6 rânduri ale unui program după cum urmează.Acest format trebuie să fie adoptat într-o formă oarecare, pentru a lansa execuţia programului. O0003(PROGRAM DE SPECIALIZARE) *Primul rînd al codului trebuie să conţină litera O şi 4 numere. *(PROGRAM DE SPECIALIZARE) lizibil,maşina nu intervine aici. M46 G50 S2500 *M46 Aceasta spune controllerului să decupleze axa C(pe o maşină cu axă C) G50SXXXX Limita de turaţie maximă a universalului.MAX pentru universal trebuie să fie fixat la începutup programelor.Se utilizează de obicei pentru a regla turaţia atunci cînd utilizăm viteza constantă transversală de strunjire plană la o tăiere. G40G20G99 *G40 Anularea compensării.Aceasta are rol de comandă de siguranţă. *G20 În inch *G99 Avans pe rotaţie G20 şi G99 pot fi schimbate în funcţie de mediul în care lucraţi. Rândurile de mai sus reprezintă codurile funcţiilor pregătitoare ale maşinii şi trebuie să fie incluse la începutul programului pentru ca maşina să funcţioneze corect. N10 G00 X5.0Z5.0 T0202 (STRUNJIRE DE DEGROŞARE) *N10 este un număr de bloc.Un număr de bloc poate fi utilizat la fiecare rînd dar,se utilizează cel mai adesea pentru a depista blocul de operare a unei scule anumite *G00 Deplasare rapidă *X5.0Z5.0 reprezintă o poziţie de parcare:Este stabilită la operare(De obicei în funcţie de cea mai lungă sculă pentru interstiţiu la schimbarea sculei) *T0202 Comandă pentru schimbarea poziţiei nr.2 a sculei şi cuplarea OFFSETului pentru sculă 02.Poziţia depinde de primele 2 numere T02XX.Numărul de offset este determinat de ultimele 2 numere Txx02 *(STRUNJIRE DE DEGROŞARE) este opţională. G96 S700 M03 *G96 este comanda de viteză constantă transversală la strunjirea plană.Dacă este cuplată,viteza universalului se schimbă pentru a fi în concordanţă cu diametrul pe care îl taie *S700 este egal cu o SFM de 700
*M03 Pornirea universalului normală.M04 reprezintă deplasarea înapoi a universalului G00 X1.6Z,1 M08 *G00 Deplasare rapidă *Poziţionare rapidă la X1.6 Şi Z.1 *M08 Cuplarea lichidului de răcire >Exemplu de program pentru strunjirea în formă de V 16/20 CV Observaţi că toate dimensiunile sunt în inch O0003(PROGRAM DE SPECIALIZARE); M46 G50 S2500; G40 G20 G99; N10 GOO X5.0 Z5.0 T0202(STRUNJIRE DE DEGROŞARE); G96 S700 MO3; G00 X1.6Z.1 M08; G96 S700; G01 Z.005 F.02; X-.1 F.015; G00 X1.28 Z.1; G1 Z-2.65; G00 X1.4 Z.1; X.96; G01 Z-.495 F.01; X1.6; GOO Z.1; X-.1 S400(FINISARE CU ACEEAŞI SCULA); G01 Z0.0 F.005; X.908 F.006; G03 G41 X.938 Z-.015 R.015; G01 G40 Z-.500; X1.22; G03 G41 X1,25 Z-.52 R.015; G01 G40 Z-2.65; X1.6; G00 Z.1; X5. Z5. T0200 M09; M05; MO1; /N20 G00 X5.0 Z5.0 T1111(GAURA CENTRALA); /M45; /G50 S1500; /G98 S1500 M03; /G00 X0.0Z.1 MO8; /G01 Z-.35 F2.0;
/G00 Z.1 M09; /X5. Z5. T1100; /M05; /M01; N30 G00 X5.0 Z5.0 T0707(.156-4 E.M. CANELURII); M45; G00 C0.0; G97 S2000 M04; M68; G00 X5.Z.1; G00 X.938 Z.1 M08; G98 G01 U-.120 F20.; Z-.463 F 10.; M69; C90. Z-.498 F300.; X1.5 F20.; G00 Z.1; M69; C180.; M68; G00 X.938 Z.1; G01 U-.120 F20.; Z-.463 F10.; M69; C270. Z-.498 F300.; X1.5 F20. M09; M05; G00 X5. Z5. T0700; M68; M01; N40 G00 X5.0 Z5.0 T0404(-.125 DE CORECŢIE A SUPRAFETEI „Z0” A COMPONENTEI .125 A SCULEI DE DEMONTARE DIN TRUSA DE SCULE); M46; G99 G96 S750 M03; G00 X5. Z-1.505 M08; X1.35; G01 X.955 F.004; G00 X1.35; Z-1.625; G01 X.955 F.01; G00 X1.35; Z-1.675;
G01 X.955 F.01; G00 X1.35; Z-1.750; G01 X.755 F.004; G00 X1.35; Z-1.825; G01 X.755 F.01; G00 X1.35; Z-1.925; G01 X.755 F.01; G00 X1.35; Z-2.025; G01 X.755 F.01; G00 X1.35; Z-2.125; G01 X.755 F.01; G00X1.35; Z-2.225; G01 X.755 F.01; G00 X1.35; Z-2.325; G01 X.T55 F.01; G00 X1.35; Z-2.425; G01 X.755 F.01; G00 X1.55; Z-2.525; G01 X.750 F.01; Z-1.753 X.748 S400; X1.0; G00 X1.6; Z.1 M09; X5.0 Z5.0 T0400; M05; M01; N50 G00 X5.5 Z5.0 T1212(SCULA PENTRU PROFILE CU STRUNJIRE ÎN SPATE) S400 M03; X1.35 Z.1; Z-1.47 M08; X1.26; G01 X1.252 F.005; X1.212 Z-1.5;
X.95; Z-1.730; X.910 Z-1.75; G00 X1.6 M09; X5. Z5. T1200; M05; MO1; N60 G00 X5. Z5.0 T0404(.125 SCULA DE DEMONTARE A COMPONENTEI); S400 M03; X2.0 Z.1; G00 Z-2.48; X.85; G01 X.75 F.01 M08; X.71 Z-2.5 F.004; G01 X0.0 F.002; G00 Z.175; M00(TRAGEŢI PIESA ÎN AFARA PENTRU A ATINGE SCULA); M00; X5. Z5. T0400; M05; M30; >Filetare atunci cînd utilizăm G32 (figura 2.23) Observaţi că toate dimensiunile sunt în inch 0.75 0
1.250
5/8 - 11 Thread .530 MAX x .190 WIDE
Figura 2.23. Exemplu de piesă filetată atunci cînd utilizăm G32
O0003(SPECIALIZARE PENTRU FILET 5/8-11 G32) M46G50S2000
G40G20G99 N10G00X5.0Z5.0T0202(STRUNJIRE DE DEGROŞARE) G96S500M03 G00X1.6Z.1M08 G01Z.005F.01 X-.1 G00Z.1X1.3 G01Z-.75 G00X1.4Z.1 X1.1 G01Z-.75 G00X1.2Z.1 X.9 G01Z-.75 G00X1.0Z.1 X.7 G01Z-.75 G00X.9Z.1 X.650 G00X.75Z.1 X0S400 G01Z0.0F.005(STRUNJIRE DE FINISARE) X.475 G42X.62Z-.75 G40Z-.755 X1.6 G00Z.1M09 X5.Z5.T0200 M05 MOI N20G00X5.Z5.T0404(.187 SCULA PENTRU CANELURI) (G32 trebuie să fie deblocată la PARTEA DIN SPATE A FILETULUI) G96S500M03 G00X1.0Z.1M08 G01X.7Z-.730F.03 Z-.750 X.525F.005 G04X1. G00X.7 Z.1M09 X5.Z5.T0400 M05 M01
N30T0808(CORECŢIA Z A SCULEI DE FILETARE SE AFLA LA PARTEA DIN FAŢA A SCULEI) G00X5.Z5 G97S300M03 (G97 CUPLAREA UNIVERSALULUI CU RPM DIRECT) X.7Z.1M08 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) X.605 (Setaţi X pentru PRIMA TAIERE) G32Z-.7F.090909 (AVANS) (G32 COMANDA PENTRU FILET/ADANCIMEA Z/VITEZA DE AVANS X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) G00Z.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) X.59 (FIXAŢI X pentru URMATOAREA TAIERE) G32Z-.7 (G32 COMANDA PENTRU FILET/ADÎNCIMEA Z) X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) G00Z.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) x.57 (Fixaţi X pentru URMATOAREA TAIERE) G32Z-.7 (G32 COMANDA PENTRU FILET/ADÎNCIMEA Z) X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) GOOZ.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) x.55 (Fixaţi X pentru URMATOAREA TAIERE) G32Z-.7 ADÎNCIME) (G32 COMANDA PENTRU FILET/Z X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) G00Z.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) x.536 (Fixaţi X pentru URMATOAREA TAIERE) G32Z-.7 (G32 COMANDA PENTRU FILET/Z ADÎNCIME) X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) G00Z.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) x.534 (Fixaţi X pentru TAIERE FINALA) G32Z-.7 (G32 COMANDA PENTRU FILET/ADÎNCIME Z) X.7 (INTERSTIŢIU X pentru REVENIRE) G00Z.1 (DE LA RAPID LA PARTEA DIN FAŢA a piesei) G00X1.Z.1M09 X5.Z5.T0800 M30 >G76 Filetare cu ciclu fix (figura 2.24) Observaţi că toate dimensiunile sunt în inch
M46 G50 S2000;
. 750
G40 G20 G99; G97 S300 M03; G00 X5.0 Z5.0 T0808;
1.25 0
X.675 Z.2 M08; G76 P020060 Q40 R.004; G76 X.534 Z-.7 P450 Q50 R0 F.090909;
Figura 2.24. Exemplu de filetare a unei piese cu ciclu fix
5/8-11
G00 X5. Z5. M09
Thread
U0. W0. T0800;
M30; G76 X.534 Z-.7 P450 Q50 R0 F.090909; G00 X5. Z5. M09 U0. W0. T0800; M30; Atunci cînd utilizaţi G76 ciclu fix ,nu trebuie să uitaţi următoarele: X.675 Z.2 M08 Această deplasare reprezintă poziţia fixă a diametrului mare(INCLUZÎND O VALOARE A INTERSTIŢIULUI SCULEI) În acest caz,diametrul mare este de .675 cu un interstiţiu al sculei .05
> G76 Ciclu fix de filetare-Filet conic (figura 2.25) Observaţi că toate dimensiunile sunt în M46 G50 S2000; inch G40 G20 G99;
G76
G97 S300 M03;
. 85 0
G00 X5.0 Z5.0 T0808; X.84 Z.2 M08;
. 840
.680 . 786
G76 P020060 Q150 R.004; G76 X.716 Z-.85 P350 Q50 R-.029 F.0714; G00 X5. Z5. M09;
1/2 - 14
U0 W0 T0800;
Pipe Thread
filetare-Filet conic
M30;
.090
Figura 2.25. Exemplu de piesă prelucrată utilizând ciclu fix de
X.716 Z-.85 P350 Q50 R-.029 F.0714; G00 X5. Z5. M09; U0 W0 T0800; M30; Când folosim G76 Ciclu fix sunt câteva consideraţii pe care trebuie să le ţinem minte. X.84 Z.2 M08 Această mişcare reprezinta poziţia fixă a diametrului mare (INCLUZÎND o VALOARE a INTERSTIŢIULUI SCULEI) În acest caz diametrul mare este .84 cu .000 valoare a interstiţiului sculei. >Programarea păpuşii mobile Observaţi că toate dimensiunile sînt în inch Pentru a cupla păpuşa şi pinola G40G99 (Nu este necesar atunci cînd se programează împreună cu un ciclu în execuţie) G50S2000 (Nu este necesar atunci cînd se programează împreună cu un ciclu în execuţie) T0800 (NU TREBUIE SA CONŢINA o CORECŢIE CONECTATA) G28U0.0 (G28 U0.0 trimite maşina la poziţia sa INIŢIALA pe axa X) M14 (Deblochează corpul păpuşii mobile/Se pregăteşte să cupleze pivotul) G28W0.0 (G28 W0.0 trimite maşina la poziţia sa INIŢIALA pe axa Z) G00Z6.0 (Deplasează păpuşa mobilă pînă la poziţia dorită/Z6.0 este NUMAI CA EXEMPLU Şi este prestabilit de către cadrul tehnic care se ocupă de montaj) (Blochează păpuşa mobilă şi decuplează pivotul) M15 (Scoate în afară pinola păpuşii mobile/Poate fi trimis în afară şi pe M12 axa Z) Pentru a deconecta păpuşa mobilă şi pinola T0800 ( NU TREBUIE SA CONŢINA o CORECŢIE CONECTATA ) G28U0.0 (G28 U0.0 trimite maşina la poziţia sa iniţială pe axa X) M13 (Deplasează în interior pinola păpuşii mobile) M14 (Deblochează corpul păpuşii mobile/Se pregăteşte să cupleze pivotul) G00Z3.5 (G00 Turela rapid pentru a depăşi pivotul cu MINIMUM 2 ) G00Z6.0 (Accelerează turela pînă la poziţia păpuşii mobile cum a fost definită anterior (Poziţionarea păpuşii mobile) G28W0.0 (G28 W0.0 trimite turela şi PAPUSA MOBILA la poziţia iniţială a Z) M15 (Blochează păpuşa mobilă şi decuplează pivotul) G00Z6.0 (Comandă pentru rapid în scopul deplasării turelei pînă la poziţia de parcare) M01
Atît la deplasarea MANUALA cît şi la deplasarea PROGRAMATA a păpuşii mobile,atenţie maximă la verificarea tuturor interstiţiilor şi a poziţiilor TUTUROR SCULELOR care vor fi cuplate ÎN TIMP CE va fi montată păpuşa mobilă. >Utilizarea subprogramelor M98, M99 Maşina Maşina Victor mai are şi posibilitatea posibilitatea de a apela un subprogram, ceea ce economiseşte timpul şi spaţiul programatorului, astfel încît nu este necesar să fie scrise coordonatele de mai multe ori. Formatul de program este după cum urmează, M98 P------; P va fi urmat de un număr din 6 cifre. Primele două stabilesc de cîte ori trebuie repetat subprogramul înainte de a reveni la programul principal şi ultimele ulti mele 4 cifre reprezintă reprezintă numărul de program. program. Înainte de a vedea că începutul începutul unui program începe cu O----, numărul din 4 cifre este numărul de program (figura 2.26).
O1000;
O0001; ; ; ; M98 P 1000; ; ; M30;
; ; ; ; ; M99;
Figura 2.26. Utilizarea subprogramelor M98,M99
2.5.5. Măsurarea pieselor pe MUCN În cele mai multe cazuri pentru măsurarea şi controlul piselor, pe MUCN, se folosesc dispozitive (etaloane) care plasează piesa în aceleaşi condiţii cu cele din timpul prelucrării. Prin materializarea punctelor de plecare se pot controla cotele finale, realizate prin prelucrare. Pentru a evita acestă operaţie şi erorile
inerente acesteia se poate controla piesa direct pe maşină, trebuind să se ţină seama de anumite erori de măsurare, datorate mai multor cauze: - eventuala prezenţă a lichidului de răcire-ungere sau a aşchiilor pe piesă; - dila dilata taţi ţiii ale ale pies piesei ei,, dato datora rate te acum acumul ulăr ării ii energ energie ieii term termic icee în ti timp mpul ul prelucrării (ce vor fi eliminate, sau reduse foarte mult, prin crearea condiţiilor de aşchiere ce permit o mai bună evacuare a căldurii, spre exemplu prin intermediul aşchiilor); - eventualele deformaţii ale piesei datorate tensiunilor interne introduse de schema de fixare a piesei (după desprinderea din dispozitivele de fixare piesa se eliberează de tensiunile datorate eforturilor de strângere; - imprecizia geometrică a maşinii unelte însăşi. Principalele scopuri ale măsurării pieselor direct pe maşina unealtă sunt: - determinarea uzurii sculelor în timpul prelucrării; - pentru piesele complexe, cu valoare ridicată, acest control sistematizat după fiecare operaţie operaţie permite permite evitarea evitarea unei prelucrări ulterioare, ulterioare, costisitoa costisitoare, re, în situaţia în care piesa este ieşită din câmpul de toleranţe prescris; - la pisele ce au prescrise una sau mai multe cote precise, măsurarea înaintea finalizării operaţiei (fazei) permite eliminarea adaosului de prelucrare restant prin optimizarea ultimei treceri (selectarea unei adâncimi de aşchiere optime); - atunci când se prelucrează piese brute (după turnare, forjare, matriţare etc. etc.)) palp palpare areaa înai înaint ntee de prelu prelucr crare are,, perm permit ite, e, conc concom omit iten entt cu măsu măsura rarea rea semifabricatului efectuarea unui reglaj (figura 2.27.) (în acest caz se pot face în mod automat corecţii de sculă); - după o schimbare a plăcuţei de pe sculă (partea aşchietoare), se poate corecta parţial eroarea de montaj a noii muchii aşchietoare în felul următor: luarea de şpan, măsurarea dimensiunilor, corectarea prin intermediul comenzii numerice (CN). Profilul piesei Corecţie sculă Profil teoretic
Decalaj de origine
Figura 2.27. Palparea semifabricatului, evaluarea şi poziţionarea automată a sculei
La ora actuală este foarte rar cazul când se mai concep sisteme avansate de producţie fără măsurare integrată a cotelor pe maşini unelte. Din acestă cauză nume numero roas asee firm firmee înce încearc arcăă să reali realize zeze ze disp dispoz ozit itiv ive, e, inst instal alaţ aţii ii şi prog program ramee performante de măsurare. Măsurarea pe MUCN este, în acelaşi timp, un factor
important care poate determina diminuarea productivităţii. Timpul destinat executării unei piese va fi cu atât mai redus cu cât măsurările se fac la intervale de timp mai mari. Deasemenea nu există o lomită impusă pentru a nu cumula eroarea de urmărire datorată ciclului necesar comenzii numerice.
CAPITOLUL 3
CIM – COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING 3.1 Introducere
Procesul de producţie este o sursă de sănătate şi prosperitate în orice naţiune industrializată. Cu toate că producţia a jucat un rol important în timpul evoluţiei omului, cea mai rapidă dezvoltare a cunoscut-o totuşi în ultimele două secole. Primele produse complexe, ca de exemplu ceasurile de mână au fost realizate de meşteri cu îndemânare foarte mare, dar care aveau cunoştinţe teoretice limitate despre comportamentul static sau dinamic al obiectului pe care îl realizau. În plus, aceşti meşteri erau nevoiţi să folosească unelte rudimentare şi materiale brute a căror compoziţie şi proprietăţi fizice şi chimice nu erau cunoscute pe deplin sau chiar deloc. Pentru realizarea unui produs era folosită în marea majoritate a cazurilor energia umană, sau în unele cazuri puterea vântului şi a apei. Energia adecvată pentru procesele de producţie a putut fi folosită odată cu inventarea motorului cu aburi. Inţelegerea comportamentului static şi dinamic al unor corpuri rigide şi proprietăţile materialelor a început odată cu concepţia şi apariţia primelor echipamente automate de producţie. Aceste maşini erau controlate de legături şi manete, şi erau propulsate cu curele. Ele au devenit coloana vertebrală a fabricilor automate din zilele noastre. Îmbunătăţiri ale proceselor de producţie au fost aduse şi de inventarea motorului electric. In prezent a devenit tipic ca o maşină de producţie să posede propriul motor. Conceptul de diviziune a muncii şi de producţie pe linie a pieselor/produselor a condus la inventarea proceselor de producţie de masă. In acest fel, produse de înaltă calitate puteau fi procurate de oameni care în general nu-şi permiteau să cumpere produse scumpe, făcute pe comandă. Deoarece investiţiile făcute în implementarea producţiei pe bandă erau mari, schimbări pentru diversificarea gamei de produse erau foarte dificil de făcut din punct de vedere economic. Din acest motiv, gama de produse oferită clienţilor era redusă. De aici şi conceptul de flexibilitate a producţiei care trebuia să fie la curent cu cerinţele pieţii. Odată cu invenţia tuburilor electronice şi a tranzistorilor a devenit posibilă construirea de controloare de proces care puteau într-o mică masură să fie programate pentru anumite operaţii necesare producţiei. O realizare majoră în automatizarea proceselor de producţie a fost facută în 1947 când a fost construită prima maşina cu control numeric (CN) la Massachusetts Institute of Technology. Era pentru prima dată când combinaţii de echipamente fizice electronice (hardware) şi programe (software) erau folosite cu succes într-o singură unitate de control. Apoi, odată cu apariţia tehnologiilor de realizare pe scară largă a tranzistorilor şi a altor circuite electronice (VLSI – Very Large Scale Integration), familii de minicalculatoare şi microcalculatoare au început să fie folosite în controlul proceselor de producţie. O importanţă deosebită a acestor calculatoare a fost şi este aceea că pot fi adaptate foarte uşor unui anumit proces de producţie printrun simplu program. Pe măsură ce automatizarea proceselor de producţie continuă procesul de dezvoltare, a devenit evident că tehnologiile convenţionale nu mai făceau faţă cerinţelor pieţii şi deci calculatoarele aveau cel mai mare potenţial pentru îmbunătăţirea operaţiilor implicate în producţie. De aici şi noţiunea de Computer Integrated Manufacturing (CIM). Pentru controlul unui
proces de producţie cu ajutorul calculatorului, maşinile-unelte implicate au nevoie de interfeţe speciale pentru a fi compatibile cu acesta. In plus, operatorii umani trebuie să fie capabili să comunice cu calculatorul, de aceea numeroase tehnologii s-au dezvoltat pentru comunicarea om-maşină (procesare grafică, procesare de imagini, construire de baze de date inginereşti, modelare, simulare, programare, senzori etc.). Aceste tehnologii au cicluri de viaţă foarte scurte şi pentru acest motiv este foarte greu să le evaluezi importanţa. În multe cazuri, evoluţia unor astfel de tehnologii este aşa de rapidă, încât sisteme concepute acum câţiva ani, sunt acum pur şi simplu piese de muzeu. Calculatorul a avut şi are un impact substanţial în aproape toate activităţile dintr-o fabrică. Adesea, introducerea calculatoarelor a schimbat structura organizaţională a departamentului respectiv şi a facut necesară adoptarea unor structuri manageriale complet noi. Cum un calculator este capabil să efectueze munci repetitive într-un mod eficient, multe funcţii manageriale s-au schimbat dramatic. Viitorul dezvoltării tehnologiei calculatoarelor în procesul de producţie nu poate fi prezis. Va depinde de diferite aspecte, inclusiv de dezvoltarea echipamentelor fizice şi a programelor de calculator, de posibilitatea de a simplifica şi a standardiza procesele de producţie etc. Dar ce este practic CIM? Dacă întrebi zece ingineri sau zece specialişti în calculatoare vei avea cel puţin douăzeci de variante de răspunsuri! CIM a fost descris ca fiind orice de la o filosofie de producţie şi până la un program specific de calculator folosit într-o maşină cu control numeric. De exemplu, Johansen şi colaboratorii, propune un model CIM care include mijloacele de comunicare dintr-o companie, aplicaţiile de calculator, inclusiv planificarea materialelor, controlul calităţii, sistemele de inspecţie, şi managementul informaţiilor (colectare, stocare şi folosire). Termenul CIM poate fi utilizat pentru a defini integrarea ingineriei, economiei, producţiei şi managementului funcţiilor unei companii de la conceperea şi până la distribuirea unui nou produs. Acest termen derivă din cartea lui Harrington (1973 – Computer Integrated Manufacturing) şi în care acest termen a fost folosit pentru prima oară în relaţie cu CAD (Computer Aided Design) – proiectare asistată de calculator şi CAM (Computer Aided Manufacturing) – producţie asistată de calculator. Nucleul cărţii era însă bazat pe CAM . Până la începutul anilor 80, în SUA şi Japonia circula o definiţie a CIM, restrânsă doar la producţie şi la dezvoltarea de noi produse, în care: CIM=CAD+CAM. (3.1)
Figura 3.1 Activităţile CIM
Odată cu evoluţia calculatoarelor şi folosirea acestora pentru planificarea şi controlul operaţiilor implicate în procesul de producţie, au fost creaţi diverşi noi termeni: CAP (computer-aided planning). Această activitate vizează generarea asistată de calculator al unui plan pentru producerea unui nou produs. Planul procesului trebuie să descrie operaţiile de producţie implicate şi secvenţa acestora; - CAQ (computer-aided quality control). Această activitate combină toată munca de control de calitate al unui proces de producţie. În alte cazuri, aceeaşi activitate este numită CAT (computer-aided testing) sau CAI (computer-aided inspection); - PP&C (production planning and control). Această funcţie se ocupă cu procesele organizaţionale ale CIM, ca de exemplu planificarea resurselor şi materialelor necesare producţiei, estimarea de tipuri de producţie, controlul producţiei etc. Aceşti termeni, împreună cu CAD/CAM formează activităţile generale într-un proces de producţie integrat (CIM). De aici şi o definiţie mai cuprinzătoare a CIM-combinarea tuturor activităţilor menţionate mai sus într-un singur sistem (figura 3.1): CIM=CAD+CAP+CAQ+PP&C (3.2) În multe companii, iniţial CIM se concentrează doar pe integrarea calculatoarelor în procesul de producţie. Alte funcţii sau operaţii sunt apoi legate de producţie. De aceea, nucleul CIM poate fi considerat element de producţie. Cartea lui Harrigton se referea la CIM ca integrarea calculatoarelor în toate funcţiile
de afaceri ale unei companii . Termenul integrare din CIM poate fi explicat în două feluri. În primul rând, când operaţii sau funcţii sunt integrate, părţile componente ale acestora nu trebuie să fie distincte faţă de întreg. Această explicaţie nu este relevantă în cazul CIM. CIM foloseşte termenul integrare în sensul de legatură. Toate procesele sau funcţiile de afaceri ale unei companii de producţie sunt astfel “legate” între ele, în cazul CIM, de calculator. Cu alte cuvinte, CIM implementat într-o companie tinde să o transforme într-o “companie fără hârtie” în sensul ca memorandurile nu circulă în plicuri şi pe hârtie, ci mai degrabă prin poşta electronică către terminalele sau calculatoarele personale ale angajaţilor. În plus, cataloagele de standarde nu mai sunt cărţi, ci baze de date electronice. Schiţele de proiectare nu mai sunt ţinute sub formă de desen pe hârtie, ci ca modele CAD pe calculatoare. Comunicarea cu exteriorul al companiei (comunicarea cu clienţii) se face nu prin comunicaţii convenţionale (telefon, scrisori), ci mai degrabă printr-un aşa numit proces de interschimbare date electronice – EDE (Electronic Data Exchange) prin care calculatorul fabricii comunică cu calculatorul clienţilor. De aceea, CIM poate fi definit şi ca introducerea calculatoarelor în toate sau aproape toate activităţile implicate într-o firmă de producţie.
De ce este nevoie de CIM? Primul indicator este acela că vine în întâmpinarea competiţiei acerbe între companiile dintr-o economie de piaţă sănătoasă. Aceste presiuni de pe piaţă se pot materializa prin reduceri sau creşteri . Când spunem reduceri ne referim la reducerea timpilor de producţie, timpilor de livrare, a costurilor şi reducerea pieselor din inventar. Creşterea se referă în principal la calitatea produselor şi a răspunderii faţă de clienţi. Se poate aminti faptul că la aceeaşi creştere a calităţii se referă şi implementarea totală a calităţii (TQM – Total Quality Management) şi în acest caz care este totuşi rolul CIM? Răspunsul este simplu, deoarece se ocupă de manevrarea informaţiilor. Acest lucru poate fi explicat printr-un exemplu. În prezent, din ce în ce mai multe companii oferă clienţilor posibilitatea de a-şi desena singuri produsele pe unele din calculatoarele din sălile de prezentare (customer-driven manufacturing). De exemplu, clientul işi poate desena autoturismul, iar producătorul promite livrarea acestuia într-un numar de zile. Pentru un producător CIM i se dă posibilitatea legării proceselor logistice, organizatorice şi de producţie necesare pentru a realiza comanda clientului. Un al doilea motiv este folosirea cât mai bună a datelor şi informaţiilor . Aceasta presupune în primul rând organizarea şi coordonarea informaţiilor, care poate fi realizată prin construirea de baze de date electronice. În al doilea rând, aceste date sau informaţii trebuie să fie disponibile în orice moment şi într-un mod facil. Un al treilea motiv este facilitarea comunicării în interiorul unei companii. O organizaţie de producţie poate să fie controlată în mod efectiv doar dacă cel care efectuează coordonarea şi controlul este la curent cu ceea ce se
întâmplă în interiorul acesteia. De multe ori, folosind metode convenţionale, timpul necesar colectării şi analizării datelor este relativ mare, astfel încât până în momentul când rapoartele sunt gata, pot trece până la două saptămâni, timp în care procesele din compania respectivă se pot schimba radical. Componentele sau activităţile CIM vor fi descrise mai în detaliu în paragrafele următoare. Ordinea de prezentare a acestora este aleatoare şi nu are nici un fel de importanţă.
3.2 Proiectare şi producţie asistată de calculator CAD/CAM 3.2.1 Generalităţi CAD – Computer Aided Design si CAM – Computer Aided Manufacturing sunt tehnologii sau curente care privesc folosirea calculatoarelor în procesele de proiectare şi producţie. Aceste curente sunt din ce în ce mai puternice şi tind spre integrarea tot mai strânsă dintre proiectare şi producţie, două activităţi care în mod tradiţional erau tratate complet separate într-o companie de producţie. O posibilă definiţie pentru CAD ar fi, după Groover, folosirea sistemelor de calculatoare parţial sau integral în creearea, modificarea, analiza sau optimizarea unui process de proiectare. Sistemele digitale de calcul sunt în general partea fizică (hardware) şi programele (software) sunt necesare realizării unui proces specific pentru o anumită companie sau fabrică. CAD hardware conţine de obicei un calculator, una sau mai multe staţii de lucru, tastaturi şi alte echipamente periferice (ca de exemplu imprimante, plottere, scannere etc), memoria principală (figura 3.2). Software-ul CAD conţine programe de calculator capabile să implementeze aplicaţii grafice pe sistem plus alte aplicaţii pentru alte facilităţi inginereşti necesare respectivei companii. Exemple de asemenea aplicaţii anexe pot fi de exemplu analiza de stres a componentelor, răspunsul dinamic ale mecanismelor, transferul de caldură, programarea de calcul numeric etc. Toate aceste aplicaţii anexe sunt însă direct dependente de compania sau fabrica care le foloseşte în funcţie de cerinţele şi necesităţile acesteia. CAM – Computer Aided Manufacturing poate fi definit ca folosirea sistemelor digitale de calculatoare pentru a planifica, conduce şi controla operaţiile unei fabrici de producţii prin interfaţa calculator cu acces direct sau indirect la resursele fabricii. Aplicaţiile CAM pot fi în general clasificate în două mari tendinţe: - Monitorizare şi control cu ajutorul calculatoarelor digitale – sunt aplicaţii directe în care calculatorul este conectat direct la procesul de producţie în scopul monitorizării şi controlului acestuia.
Aplicaţii utilitare de produţie – aplicaţii indirecte în care calculatorul este folosit pentru suportul operaţiilor de producţie în fabrici şi în care nu există o interfaţă directă între acesta şi procesul de producţie. Prima categorie poate fi împarţită la rândul ei în două grupe – aplicaţii de monitorizare şi aplicaţii de control. Monitorizarea procesului de producţie cu ajutorul calculatoarelor digitale presupune o legatură directă între acestea în scopul observării directe a proceselor implicate şi a colectării de date despre acestea. Controlul cu ajutorul calculatoarelor este puţin diferit de monitorizare în sensul că vorbim nu numai de observare directă, dar şi de intervenţie în procesul de producţie în funcţie de parametrii colectaţi. În cazul monitorizării, controlul procesului rămâne în mâinile unui operator uman, care poate folosi sau nu informaţiile colectate de calculator prin observare directă. În cel de-al doilea caz, calculatorul intervine imediat în funcţie de necesităţi pentru modificarea ori corectarea procesului de producţie. În figura 3.3 se poate vedea diferenţa între cele două tipuri de aplicaţii – monitorizare şi control. -
C
T e r m i n G r a f i c
a l
T e r m i n T a s t a t u r ã G r a f i c
a l
T e r m i n G r a f i c
a l
o
m
p
u
t e r
T a s t a t u r ã
P G C
P E
C S
r o g r a m e A n e x e
c h i p a mE ec nh ti p a mE ce hn i t p a m e n t P e r i f e r i cP e r i f e r i Pc e r i f e r i c
A
D
-
i s t e m
H
a r d w C
A
D
a r e -
S
i s t e m
C
r o g r a m e d r a f i c ã p e a l c u l a t o r
A
D
d e
P
S
o f t w
U
t
a
r o i e c t a
Figura 3.2 – Componentele unui sistem CAD
a
b
Figura 3.3 Aplicaţii ale CAM: a - de monitorizare; b - de control.
Fluxul de date în cazul monitorizării este unidirecţional şi anume de la procesul de producţie către calculator care stochează astfel datele obţinute; în
cazul controlului , fluxul de date este bi-direcţional permiţând calculatorului să emită semnale sau comenzi către procesul de producţie în funcţie de parametrii observaţi şi de algoritmii conţinuţi în programele sale. Pentru cea de a doua categorie de aplicaţii CAM, cea a aplicaţiilor indirecte utilitare, computerul joacă un rol de suport al proceselor de producţie, neavând o legătură directă cu acestea. Calculatorul este în acest caz, folosit în afara liniei de producţie (“offline”) pentru realizarea de planuri, termene, previziuni, instrucţiuni, în aşa fel încât resursele fabricii să fie folosite în mod eficient. În aceste aplicaţii, intervenţia umană este deseori necesară, atât pentru introducerea de date în calculator cât şi pentru interpretarea rezultatelor obţinute de acesta şi pentru a implementa comenzile în consecinţă.
3.2.2 Ciclul de producţie Pentru înţelegerea mai bună a rolului CAD/CAM în procesul de producţie, se vor prezenta în continuare câteva funcţii şi activităţi necesare în proiectarea şi producţia unui produs. În figura 3.4 sunt prezentate etapele unui ciclu de producţie. C
o n cţ e p i a ( i d e a P) r o i e c t a r e a p r o d u s u l u i p r o d u s u l u i
C l i eţ n i / P i ţe e c ã r o r a l i s e a d r e s e a z ã p r o d u s u l
C C
o n t r o l a l i t a t e
N
o i e c h i p a m s a u s c u l e n e c e s a r e
P
r o dţ u
c
R
e a l i z a r ţe p r o d u s
s
e n t eS t a b i l i r e a p l a n u r i l o r p r o c e s u l u
i e
S t a b i l i r e a t e r m e n e l o r p r o dţu c i e
Figura 3.4. Ciclul de producţie (după Groover şi colaboratorii, 1984)
Acest ciclu de producţie este dictat în primul rând de clienţii şi pieţele de desfacere care cer respectivul produs. În funcţie de tipul clienţilor sau a pieţelor pot exista diferenţe între ciclurile de producţie a diverselor produse. De exemplu, în anumite cazuri, procesul de proiectare a produsului este realizat de client, iar produsul este fabricat de altă companie. În alte cazuri, proiectarea şi producţia este realizată de aceeaşi companie/fabrică. Indiferent de caz, ciclul de producţie începe cu o idee, un concept pentru respectivul produs. Acest concept sau idee este analizat,
îmbunătăţit, rafinat şi tranformat într-un plan de producţie prin intermediul ingineriei de proiectare. Planul obţinut conţine schiţe inginereşti care arată atât cum se poate produce acest produs cât şi specificaţiile de producţie. Un plan de producţie este realizat pentru specificarea secvenţei de producţie necesară pentru realizarea produsului. În anumite cazuri este nevoie de cumpărarea de noi echipamente de producţie. Stabilirea termenelor de producţie este următoarea etapă din ciclul de producţie. Acesta este de fapt angajamentul producătorului de a realiza o anumită cantitate din acel nou produs până la o anumită dată. Odată ce toate aceste detalii sunt puse la punct, procesul de producţie poate începe. Procesul de producţie este evident urmat de controlul de calitate al produsului respectiv, şi în caz că acesta corespunde parametrilor ceruţi este livrat clientului.
o n ţc e p ( i d e a ) r o d u s u
C p
i a P r o l up ir o
R e a l i z aţr e i e c t a r e a p r o d u s d u s u l u i
C l i ţe n i / N o i e c h i p a m S e tn a P iţ e e c ã r o r a l i p l a s a u s c u l e s e a d r e s e a z ã p r o n e c e s a r e p r o d u s u l
C C
C
o n t r o l a l i t a t e
P
R t r o l c a l i a s i s t a t ã d ed c a l c u l a t o r c o
n
r o ţd
u
c
s c h
e
t be i l i r e a n u r i l o r c e s u l u i
S t a b i l i r e a t e r m e n e l o r i ep r o dţ u c i e
o ţ b oş i i mş a t a t e e p r ţo d u c i e o n tţ r o l a i d e c a l c u l a t o r
i
i n
d
e
i
Fig.3.5 Impactul CAD/CAM în ciclul de producţie (după Groover şi colaboratorii, 1984)
Impactul CAD/CAM în ciclul de producţie se manifestă în toate etapele acestuia, aşa cum se poate vedea din figura 3.5. CAD este utilizat în procesul de proiectare, iar automatizarea procesului de schiţare/desenare a noului produs şi de stabilire a termenelor de producţie aduce o mai mare eficientizare a acestuia. În timpul producţiei calculatoarele
sunt folosite, aşa cum s-a menţionat anterior, pentru monitorizarea şi controlul proceselor implicate în procesul de producţie. În controlul de calitate, calculatoarele sunt folosite pentru a realiza inspecţii tehnice automate şi teste de performanţă asupra produsului sau a componentelor acestuia.
3.2.3 Automatizarea şi CAD/CAM Relaţia dintre CAD/CAM şi automatizare în ceea ce priveşte ciclul de producţie este următoarea: rolul atât al automatizării cât şi al CAD/CAM este acela al reducerii diferitelor elemente ale timpului auxiliar şi de pregătireîncheiere din cadrul acestui ciclu. Realizând acest scop, se poate mări productivitatea muncii şi se pot ridica standardele de viaţă. În mod tradiţional, automatizarea producţiei s-a ocupat mai mult de echipamentele folosite şi de procesele de producţie. În contrast, CAD/CAM, în afară de accentul pus pe folosirea calculatorului, se remarcă prin faptul că intervine şi la nivelul proiectării şi a planificării care preced producţia. Pentru a accentua diferenţa dintre automatizare şi CAD/CAM se consideră următorul model matematic [Groover and Hughes, 1980]: - fie T 1 , timpul necesar pentru a produce o unitate dintr-un produs; acesta va fi suma tuturor timpilor asociaţi proceselor individuale pentru fiecare componentă a produsului plus timpul necesar asamblării, inspecţiei de calitate şi a împachetării unui singur produs; - fie T 2, timpul necesar planificării şi pregătirii realizării unui singur lot de producţie; T 2 va include astfel timpul necesar comandării materialelor brute, timpul necesar stabilirii timpilor de producţie şi timpul de pregătire pentru fiecare operaţie; - fie T 3 , timpul necesar proiectării produsului; acest timp include timpul necesar stabilirii preţului, al proiectării de scule sau maşini speciale şi alţi timpi pentru realizarea altor procese necesare pentru a avea produsul gata pentru producţie. Doi parametrii adiţionali mai sunt necesari pentru definirea acestui model matematic. –numărul de loturi produse pe tot parcursul ciclului de viaţă al produsului, notat cu B; – numărul de unităţi produse în fiecare lot, notat cu Q. Timpul total T în timpul ciclului de viaţă al produsului, poate fi definit astfel: T BQT BT T (3.3) Timpul mediu T m necesar pe unitatea de produs poate fi definit astfel: T T T T (3.4) Q BQ Folosind cele definite mai sus diferenţa între automatizarea procesului de producţie şi CAD/CAM poate fi exprimată astfel: automatizarea este interesată =
m =
1
1 +
+
2
2
+
+
3
3
în principal de micşorarea T 1 şi T 2 , cu accent pe timpul de producţie a unei unităţi (T 1 ) în timp ce tehnologia CAD/CAM are ca principal scop micşorarea tuturor celor trei termeni T 1 , T 2 , T 3 , cu accente pe T 2 şi T 3. O listă cu cele mai importante realizări în CAD/CAM este prezentată în tabelul 3.1. Tabelul 3.1. Cele mai importante realizări în CAD/CAM
Sisteme interactive de grafică Grafică animată pe calculator Analiza proiectării asistate pe calculator (analiza de stres a materialelor, de temperatură etc.) Schiţarea automată a produsului Baza de date pentru proiectare şi producţie Planificarea proceselor de producţie asistată pe calculator Standarde de lucru generate de calculator Controlul numeric al proceselor de producţie Stabilirea automată a termenelor de producţie Planificarea materialelor necesare procesului de producţie Controlul numeric direct Roboţi controlaţi de calculator Aplicaţii controlate de microprocesoare Inspecţie asistată pe calculator (CAI – Computer Aided Inspection) Control de calitate asistat pe calculator (CAT)
3.2.4. Fundamentele CAD Aşa cum am menţionat anterior, CAD presupune orice tip de activitate de proiectare care foloseşte calculatorul pentru dezvoltarea, analiza sau modificarea unui proiect ingineresc. Sistemele CAD moderne sunt bazate pe grafică interactivă pe calculator (ICG – Interactive Computer Graphics). ICG este un sistem în care calculatorul este folosit pentru a crea, tranforma şi afişa date sub formă de imagini şi simboluri. Operatorul în ICG este proiectantul, care comunică date şi comenzi cu sistemul prin intermediul unor diverse tipuri de echipamente de intrare. La rândul său, calculatorul comunică rezultatele cu ajutorul tuburilor catodice (CRT). Proiectantul creează astfel o imagine pe monitor prin introducerea de comenzi şi date pentru apelarea unor programe calculator stocate în memoria fizică a acestuia. În marea majoritate a cazurilor imaginile sunt formate din forme geometrice ca de exemplu linii, puncte, cercuri etc. În general un sistem ICG e o combinaţie de hardware şi software vezi figura 3.2). Hardware-ul include o unitate centrală de prelucrare – CPU, unul sau mai multe terminale grafice sau diverse unităţi periferice ca imprimante, scanere, plottere etc. Software-ul include programele de calculator necesare implementării procesării grafice.
Deci, unul din principalele componente al unui sistem CAD este sistemul ICG. Cealaltă componentă principală o constituie proiectantul uman. ICG este o unealtă în mâinile proiectantului uman necesară rezolvării diverselor probleme de proiectare. Operatorul uman realizează porţiunea cea mai potrivită intelectului uman din cadrul procesului de proiectare, iar calculatorul prin ICG realizează sau aplică ceea ce i se potriveşte cel mai bine şi anume viteza de calcul, memorizarea unor largi bănci de date, etc. Principalele motive care impun implementarea unui sistem CAD, se pot aminti: - pentru mărirea productivităţii . Acest lucru este realizat ajutând proiectantul să vizualizeze produsul şi părţile lui componente şi prin reducerea timpilor necesari sintetizării, analizării şi documentării procesului de proiectare. - pentru îmbunătăţirea calităţii unui proiect . Un program CAD permite o analiză inginerească mai amănunţită asupra unui proiect şi mult mai multe alternative de proiectare pot fi investigate. Erorile de proiectare sunt de asemenea reduse datorită acurateţii sistemului. - pentru îmbunătăţirea comunicării . Acest lucru este posibil datorită unei mai bune vizualizări, standardizări şi a unei mai bune documentări a procesului de proiectare. - pentru crearea unei baze de date pentru producţie. În timpul realizării proiectului, toate datele privind dimensiunile produsului şi a componentelor acestuia, a materialelor necesare realizării acestuia, costul materialelor şi a termenelor de livrare pot fi stocate într-o bază de date care poate fi utilizată ulterior în procesul de producţie.
3.2.4.1 Procesul de proiectare Într-o economie de piaţă, dezvoltarea şi apariţia unui produs este în directă concordanţă cu cererea de pe piaţă şi se materializează într-o idee sau concept. Aceasta idee va fi punctul de plecare pentru apariţia ulterioară a produsului. Ideea va fi preluată de proiectanţi, care vor încerca să găsească metode pentru transpunerea ideii în viaţă şi care vor stabili amănuntele necesare procesului de producţie. În munca lor, aceştia vor fi ajutaţi de proiectanţii analişti care vor analiza impactul acestui produs asupra pieţii şi de ingineri care vor realiza munca experimentală a prototipurilor pe standurile de testare. Cercetătorii pot juca şi ei un rol important în acest proces pentru acoperirea unor goluri în înţelegerea comportării unor materiale, a unor procese implicate în producerea acestui produs. Odată procesul de proiectare terminat, munca va fi preluată de planificatorii de proces, care vor identifica etapele şi operaţiile necesare realizării produsului. Aceasta descriere a procesului de producţie şi proiectare este una foarte generală. La nivelul fiecărei etape pot interveni
schimbări în funcţie de complexitatea produsului cât şi a multor altor factori externi, ca de exemplu, numărul de oameni implicaţi. În ultimul timp, mai multe modele formale au fost realizate pentru descrierea procesului de proiectare. Având în vedere gama largă a situaţiilor de proiectare, aceste modele descripţionale prezintă variaţii mai mici sau mai mari, dar toate modelele sunt de acord că procesul de proiectare este un proces care se desfăşoară pas cu pas. Unul din cele mai simple modele ale procesului de proiectare este cel prezentat de Shigley (figura 3.6). Acesta vede acest proces ca unul iterativ şi care cuprinde şase paşi sau etape: recunoşterea necesităţii unui nou produs, etapa implicată de cererea de pe piaţă; definirea problemei presupune stabilirea specificaţiilor de proiectare; sinteza, analiza şi optimizarea sunt etape strâns legate între ele şi care duc la îmbunătăţirea ideii sau conceptului prin reproiectarea produsului de câte ori este necesar; evaluarea presupune adesea realizarea unui prototip pentru a se vedea dacă acesta coincide cu specificaţiile iniţiale; şi în sfârşit prezentarea proiectului care presupune şi documentarea proiectului cu schiţe, desene şi specificaţii tehnice de materiale, lista de componente etc. În mod tradiţional, proiectarea inginerească se realizează pe planşe de desen, cu schiţele în formă de desen tehnic cu toate specificaţiile necesare. R
e c uş n o t e r e a n e c e ţs i t ã i i p r o d u s u l u i
D e f i n i r e a p r o b l e m e i
S
i n t e z a
A n a l şi z a i o p t i m i z a r e a
E v a l u a r e a p r o i e c t u l u
i
P r e z e n t a p r o i e c t u
Figura 3.6 Procesul de proiectare în viziunea lui Shigley
Un model mai rafinat al procesului de proiectare este propus de Ohsuga, în 1989 (figura 3.7). În acest caz, diversele stadii sau etape ale proiectării sunt generalizate într-o formă comună în care proiectul este realizat printr-un proces continuu de optimizare şi modificare. În fazele incipiente ale proiectării, o soluţie este propusă de proiectant. Aceasta este evaluată din diverse puncte de vedere pentru a se stabili dacă modelul propus coincide cu specificaţiile tehnice. Dacă modelul este diferit de ceea ce se cere, atunci este modificat în concordanţă cu tehnologicitatea construcţiei. Procesul continuă până când toate specificaţiile sunt în concordanţă cu cerinţele.
Cele două modele prezentate abordează o viziune tradiţională în care există mai multe etape în procesul de proiectare. Presiunea de a reduce costurile proiectării şi a timpilor mici de producţie necesari companiilor dintr-o economie de piaţă au dus la necesitatea folosirii unor metode noi de proiectare, ca de exemplu CAD. Aplicând CAD la modelul prezentat de Shigley se obţine diagrama din figura 3.8. Diversele procese care sunt realizate de sistemele CAD pot fi grupate în patru mari grupe: - modelarea geometrică; - analiza inginerească; - evaluarea şi modificarea proiectului; - schiţarea automată. Aceste patru grupe corespund fazelor finale ale modelului lui Shigley.
10.2.4.2 Modelarea geometrică În CAD, modelarea geometrică este procesul de descriere matematică a geometriei unui obiect . Descrierea matematică asigură vizualizarea şi manipularea acelui obiect pe un terminal grafic prin semnale şi comenzi dintre unitatea centrală de prelucrare a sistemului CAD. C e r i nţ
A n a l i z e a z ãş e v a lu e a z ã
e
C o n s t r u i şe m o d e l
t e
M
M
M
o d e l
o d e l
o d e l
i
1
A n a l i z e a z ãş e v a lu e a z ã
i
A n a l i z e a z ãş e v a lu e a z ã
i
2
n
G e n e r e a z ã in f o r m ii ţ a p e n t r u p la n i fic a r e , p r o d u cţ i e ş i t e s t a r e
P la n ific ã t e s t u l d e p r o d u ţc i e
P R O D U
S
Figura 3.7 Procesul de proiectare după Ohsuga (1989)
Programele de calculator pentru modelarea geometrică trebuie să fie proiectate în aşa fel încât să fie eficiente atât din punct de vedere al calculatorului cât şi din punct de vedere al proiectantului uman. M o d e la r eC g e o m e t r ic ã R
e c şu n o t e D r ee a f i n i r e a S n e c eţ s i t ã ip i r o b l e m e i p r o d u s u l u i
i n
D
A n a liz a in g in e r e a s c ã
t e z a
E v a l u aş r e a S c ţ hi i a r e v i z u i r ea au t o m a p r o ie c t u lu i
A n a şl i z ã i o p t i m i z a r e
E v a l u a r e a p r o i e c t u l u
A
i
P r e z e n t a r e a p r o i e c t u l u i
Figura 3.8. Introducerea calculatorului în procesul de proiectare
3.2.4.3 Analiza Inginerească În formularea aproape a fiecărui tip de proiect din inginerie este necesară o anumită analiză. Analiza poate presupune analiza la starea de tensiuni a materialelor, calculele pentru transferul de căldură, sau folosirea ecuaţiilor diferenţiale pentru a exprima comportamentul dinamic al sistemului sau obiectului de proiectat etc. Calculatorul poate ajuta în aceasta muncă de analiză. Adeseori, programe specifice de calculator sunt dezvoltate chiar de grupul de analiză pentru a rezolva anumite probleme de proiectare. În alte situaţii, sisteme comerciale pot fi folosite în acelaşi scop. Un exemplu poate fi analiza de masă a unui obiect care presupune, în cadrul unui sistem CAD, specificarea proprietăţilor unui obiect solid ca de exemplu suprafaţa, greutatea, volumul, centrul de gravitaţie şi momentul de inerţie. Pentru o suprafaţă plană, calculele corespunzătoare includ perimetrul, aria şi proprietăţile inerţiale. Al doilea exemplu îl constituie modelarea în element-finit. Aceasta reprezintă poate cea mai puternică şi importantă proprietate a unui sistem CAD. Majoritatea problemelor în inginerie sunt nedeterminate din punct de vedere static, adică analiza statică a acestora nu permite colectarea de suficientă informaţie pentru comportamentul acestora. În metoda elementului finit, obiectul de analizat este împărţit într-un număr mare de elemente finite care formează o reţea de noduri interconectate unele cu celelalte. Folosind un calculator, întregul obiect poate fi analizat la solicitări diferite, transfer de caldură, vibraţie sau alte caracteristici prin observarea comportamentului
fiecărui nod din reţea. Prin determinarea relaţiilor între compartamentul diferitelor noduri se poate ajunge la comportamentul întregului obiect. Suficienta informaţie poate fi obţinută prin combinarea următoarelor: - echililibrul static pentru fiecare nod; - mişcarea geometrică a fiecărui nod; - analiza specifică a fiecărui nod. Selecţia tipului de element (nodurilor) şi poziţia acestora este importantă. Unele sisteme CAD au capacitatea de a defini automat nodurile şi structura reţelei pentru un obiect dat. Operatorul uman trebuie doar să specifice parametrii pentru modelul de element-finit şi sistemul CAD calculează comportamentul automat. Ieşirea analizei în element-finit este de obicei cel mai bine reprezentată de sistemul CAD într-un format grafic pe un terminal. De exemplu, modul de vibraţie al unei bare piezoceramice este suprapus peste imaginea originală a barei, ca în figura 3.9. Grafica color este folosită de asemenea pentru accentuarea comparaţiei între obiectul original şi cel în vibraţie. Verificarea acurateţii unui proiect sau schiţe se poate face în mod simplu pe un terminal grafic. Rutinele de autodimensionare şi toleranţa care atribuie dimensiuni suprafeţelor sau muchiilor de prelucrat indicate de operator ajută la minimizarea erorilor. Sistemele CAD permit chiar mărirea unor zone parţiale ale desenului (zoom-are) pentru o observare mai atentă a detaliilor şi pentru o eventuală corectare a greşelilor. O altă tehnică importantă introdusă de sistemele CAD este stratificarea (layering). Aceasta înseamnă, de exemplu, suprapunerea schiţei geometrice a unui obiect cu forma finală de turnare, în acest fel putânduse observa dacă materialul brut este suficient pentru a acoperi dimensiunile obiectului. Pentru verificarea interferenţei unor componente în comportarea globală a unui obiect se foloseşte tehnica analizei dinamice. Sistemele CAD permit simularea mişcării unor mecanisme simple, ca de exemplu mecanisme de tip bielă-manivelă, scripeţi, lagăre, rulmenţi sau simple legături între componente şi ajută la verificarea interferenţei dintre acestea.
Figura 3.9. Moduri de vibraţie ale unei lamele piezoceramice (modele realizate cu ANSYS 5.0)
3.2.4.5 Schiţarea automată Schiţarea automată presupune crearea a unor desene inginereşti direct din baza de date a sistemului CAD. În trecut, singura justificare pentru CAD era aceasta, şi anume că prin acest proces de schiţare automată a proiectelor, productivitatea muncii creşte de cinci ori faţă de schiţarea manuală. Dintre proprietăţile importante ale acestui proces, se pot aminti: dimensionarea automată a obiectului, definirea suprafeţelor de intersecţie, abilitatea de a genera diverse vederi ale obiectului cât şi posibilitatea de a roti obiectul cu un numar de grade, specificat de operatorul uman. Majoritatea sistemelor CAD pot genera automat şase vederi ale aceluiaşi obiect. De asemenea, programând cerinţele unui anumit client/companie, sistemul CAD are grijă de respectarea automată a acestora la realizarea desenelor sau schiţelor.
3.2.4.6 Clasificarea componentelor şi codarea acestora O altă proprietate importantă a unui sistem CAD este aceea că poate stoca diverse componente de acelaşi tip creând astfel clase de obiecte. Codurile sunt generate automat pentru acestea, iar utilizatorul uman nu are apoi altceva de făcut decât să selecteze din librăria existentă a sistemului CAD a părţilor componente de care are nevoie. 3.2.4.7 Crearea unei baze de date pentru producţie Un alt important avantaj al folosirii sistemelor CAD este acela al realizării unor baze de date necesare producţiei unui produs. În ciclul de producţie tradiţional există o separaţie a proiectării şi producţiei, în sensul că proiectarea este realizată de o grupă de ingineri, iar rezultatul muncii acestora – schiţele produsului sunt preluate de inginerii de producţie. Aceasta presupunea un proces în două etape care era atât consumator de timp cât şi de resurse umane. Într-un sistem integrat CAD/CAM, se realizează o legătură directă între proiectare şi producţie. Unul din scopurile CAD/CAM este acela de a automatiza atât unele faze de proiectare şi producţie, dar şi acela de a automatiza tranziţia dintre cele două etape. Astfel a apărut conceptul de bază de date de producţie . Aceasta include toate datele referitoare la produsul generat în timpul proiectării (modele geometrice, costuri de materiale, specificaţii de materiale etc.), ca şi date adiţionale necesare producţiei.
3.2.4.8 Avantajele folosirii CAD Există foarte multe avantaje ale folosirii CAD/CAM, dintre care doar cîteva pot fi măsurate cu uşurinţă. Unele avantaje sunt indirect măsurabile, ele reflectându-se doar în îmbunătăţirea muncii, altele sunt direct măsurabile ca de exemplu creşterea productivităţii muncii de un factor K , scăderea costurilor de
proiectare cu o anumită sumă etc. În lista de mai jos, se prezintă câteva din aceste avantaje: - îmbunătăţirea productivităţii; - scurtarea timpilor de producţie şi proiectare; - reducerea personalului uman; - modificările specifice pentru diverşi clienţi sunt uşor de făcut; - cotarea şi dimensionarea automată a produsului; - acurateţea îmbunătăţită a desenelor; - ajutorul în realizarea documentaţiilor; - standardizarea schiţelor; - proiectarea mai bună; - estimarea costurilor mai rapidă şi mai precisă; - timpul redus pentru simulări; - mai bună comunicare între ingineri, proiectanţi, manageri şi alţi membri ai echipelor de producţie; - mai puţine erori de proiectare; - mai mare acurateţe în realizarea calculelor de proiectare. În paragrafele următoare, se vor prezenta pe scurt câteva dintre aceste avantaje. Îmbunătăţirea productivităţii în proiectare Productivitatea crescută a unei companii va duce la creşterea prestigiului acesteia din cauza reducerii de personal necesar unui anumit proiect şi implicit a unor costuri şi timpi mai mici. Groover semnalează faptul ca într-un sondaj al unor producatori de sisteme CAD, productivitatea poate fi mărită cu un factor de 3/1 până la cazuri în care este mărită cu 10/1 şi chiar mai mult. Există chiar cazuri când productivitatea a fost mărită de 100 de ori, dar această cifră nu este un standard. Acest factor depinde de complexitatea schiţelor inginereşti, de nivelul de detalii cerut, de gradul de repetiţie şi simetrie al componentelor implicate, cât şi de capacitatea bazelor de date CAD/CAM folosite. Pe măsură ce toţi aceşti factori cresc, productivitatea tinde să crească la rândul său. Scurtarea timpilor de proiectare şi producţie Sistemele interactive de CAD sunt în mod evident mult mai rapide decât procesul tradiţional de proiectare. De asemenea, timpii de pregătire a unor rapoarte preliminarii şi liste (de componente de exemplu), care în mod normal sunt întocmite manual, sunt scurtate de asemenea. Având în vedere toate acestea, folosind un sistem CAD, se poate ajunge la un timp relativ scurt de realizare a unui proiect. Analiza automată a proiectării Rutinele de analiză a proiectării dintr-un sistem CAD, permit ca procesul de proiectare să devină unul logic. Decât să existe o legatură între o echipă de proiectare şi una de analiză, aceeaşi persoană, folosind un terminal CAD poate să realizeze şi proiectarea şi analiza. Aceasta ajută nu numai la economia de resurse umane cât şi la munca în timp real a unui proiectant uman la acelaşi
proiect (în cazul tradiţional, după fiecare modificare asupra unui proiect, acesta era trimis la analişti care apoi comunicau rezultatele înapoi proiectantului). Aceasta nu înseamnă că analişti de proiect sunt o specie pe cale de dispariţie. Se face referire numai la modificările minore sau mai puţin minore în stadiile preliminare ale proiectului. În acest caz, mai multe alternative de proiectare pot fi explorate pentru a se vedea care se pretează mai bine cerinţelor clientului. a) Mai puţine erori de proiectare Sistemele CAD interactive posedă o proprietate intrinsecă de a evita erorile de proiectare, de schiţare şi de documentare. De exemplu, pentru estimarea costurilor, erorile de tastatură (de intrare), care apar în mod natural în timpul estimării manuale, sunt practic eliminate. De asemenea alte erori pot fi corectate în cazul în care sistemul întreabă în mod interactiv utilizatorul de acurateţea anumitor date care par problematice sau eronate. Toleranţa sistemului, care poate fi introdusă de operatorul uman joacă de asemenea un rol important în evitarea erorilor. b) O mai mare acurateţe în calculele de proiectare În cazul calculelor manuale, o acurateţe mai mare de 14 zecimale semnificative este practic imposibil de realizat din cauza timpilor mari de calcul pe care îi implica un asemenea proces. În cazul sistemelor CAD, nici nu se poate compara acurateţea calculatoarelor cu cea manuală. c) Standardizarea proiectării O singură bază de date şi un singur sistem de operare este comun la toate terminalele şi staţiile de lucru dintr-un sistem CAD. Ca urmare, sistemul conduce în mod natural la standarde pentru proiectare şi desenare. Cu sistemele interactive CAD, desenele sau schiţele sunt standardizate pe masură ce sunt desenate din cauza că întregul format este prezent în nucleul acestora. d) Proceduri îmbunătăţite pentru diferite modificări Controlul şi implementarea schimbărilor într-un proiect existent este imbunătăţită în mod substanţial în sistemele CAD. Desenele şi schiţele originale sunt stocate în baza de date a proiectului şi aceasta le face foarte uşor accesibile pentru modificări. De asemenea o listă a shimbărilor ce se efectuează asupra acestora se poate stoca în memoria calculatorului şi în caz de nevoie se poate reveni asupra modificărilor. h) Avantaje ale procesului de producţie Avantajele CAD au implicaţii importante şi în procesul de producţie. Aşa cum s-a mai menţionat, aceeaşi bază de date CAD/CAM este folosită şi pentru planificarea producţiei şi pentru controlul acesteia. Câteva avantaje ale folosirii CAD în procesul de producţie sunt: - controlul numeric al proceselor (CN); - planificarea asistată de calculator; - listele de componente (de asamblare) generate de sistemul CAD; - controlul asistat de calculator; - controlul şi planificarea roboţilor.
Câteva dintre aceste avantaje ale CAD în procesul de producţie vor fi analizate mai în detaliu în subcapitolele următoare.
3.2.4.9 Echipamente fizice în sistemele CAD Echipamentele fizice ale unui sistem CAD (hardware-ul) sunt disponibile într-o gamă foarte largă de tipuri, mărimi, configuraţii şi capabilităţi. De aceea este posibilă alegerea mai exactă a echipamentului de care are nevoie o anumită companie. De exemplu, firmele de inginerie care nu se implică în producţie, se pot axa doar pe un sistem de proeictare, desenare sau schiţare. Firmele de producţie pot alege sisteme CAD/CAM complete, atât pentru schiţare/desenare cât şi pentru planificarea producţiei, a termenelor de livrare, a controlului calităţii etc. Aşa cum s-a mai menţionat anterior, resursele hardware de care dispune un sistem CAD sunt una sau mai multe staţii de proiectare CAD. La rândul ei, o staţie de proiectare CAD conţine terminale grafice, dispozitive de intrare, plottere sau alte dispozitive de ieşire şi unitatea centrală de prelucrare (UCP). O staţie de lucru CAD este interfaţa sistemului cu lumea exterioară. Ea reprezintă un factor important pentru a determina cât de facil şi eficient este pentru un proiectant să folosească respectivul sistem CAD. După Foley şi colaboratorii, 1982, staţia de proiectare trebuie să îndeplinească cinci funcţii: - trebuie să comunice cu UCP; - trebuie să genereze o imagine grafică stabilă pentru operatorul uman; - trebuie să genereze descrierea digitală a imaginii grafice; - trebuie să traducă comenzi de calculator în funcţii de operare; - trebuie să faciliteze procesul de comunicare dintre operatorul uman şi sistemul CAD. În general, o staţie de proiectare CAD este formată dintr-un terminal grafic şi unul sau mai multe dispozitive de intrare (tastatura, planşeta electronică de desen etc.), care vor fi descrise pe scurt în continuare: Terminalul grafic Există numeroase soluţii tehnice care au fost implementate pentru dezvoltarea terminalelor grafice. Tehnologia continuă să se perfecţioneze continuu, iar producătorii de sisteme CAD încearcă să-şi îmbunătăţească produsele şi să reducă costurile. În zilele noastre, există trei tipuri importante de terminale grafice: - Directed-beam-refresh – cel mai vechi tip de terminal grafic al tehnologiilor moderne. Din cauza că ecranul este format din elemente fosforescente, care sunt capabile de reţinerea luminozităţii pentru scurte perioade de timp, imaginea trebuie sa fie generată de mai multe ori pe secundă (refresh), pentru ca ochiul uman să nu observe oscilaţia acesteia pe ecran; - Direct-view storage tube (DVST) – spre deosebire de primul tip de
terminal grafic, DSTV are capacitatea de a reţine imaginea, fără a mai fi nevoie de regenerarea acesteia. Acest lucru este posibil datorită folosirii unui tun electronic, care, direcţionat către stratul de fosfor al ecranului menţine luminozitatea acestuia; - TV digital (raster scan) – aceste tipuri de terminal functionează prin emiterea unui fascicul de electroni care traversează ecranul în zig-zag. Dispozitivele de intrare Acestea sunt prezente în staţia de lucru CAD pentru a facilita comunicarea dintre operatorul uman şi sistem. O staţie de lucru, dispune în general de mai multe astfel de dispozitive, permiţând în acest mod operatorului uman alegerea celui mai potrivit dispozitiv pentru efectuarea proiectării. Aceste dispozitive de intrare pot fi clasificate în trei categorii: - dispozitive de control al cursorului pe ecran – permit utilizatorului să controleze cursorul pe ecran (cursor = de obicei un punct luminos pe ecran care indică unde se face desenarea). Există o foarte mare varietate de dispozitive de intrare pentru controlul cursorului, ca: joysticks, mouse, track ball, creion optic, creion electronic etc.; - digitizoare – permit transferarea desenelor de pe hârtie în memoria digitală a calculatorului (acest proces se numeste digitizare). Este un simplu transfer de coordonate de pe hârtie (x,y) în coordonate ecran; - tastaturi sau alte dispozitive alfanumerice – sunt folosite pentru a introduce comenzi, funcţii şi date suplimentare către sistemul CAD. Plottere sau alte dispozitive de ieşire Există o mare varietate de dispozitive de ieşire folosite în conjuncţie cu un sistem CAD. Dintre acestea se pot menţiona plotterele care pot produce schiţe de o mare acurateţe şi calitate, imprimantele, care cu tehnologia actuală asigură o calitate ridicată a imaginii tipărite etc. a) Unitatea centrală de prelucrare (UCP) Aceasta reprezintă “creierul” întregului sistem CAD. În general este un minicalculator care execută calculele necesare procesării grafice şi alte funcţii de direcţionare şi control al activităţilor ce au loc în sistem. Memoria secundară În general, un sistem CAD, pe lângă memoria principală, posedă şi o memorie secundară, de obicei sub forma unui disc sau bandă magnetică. Scopul acestei memorii secundare este de a reduce folosirea memoriei principale. De exemplu, memoria secundară poate fi folosită la stocarea fişierelor cu programele CAD, programe care pot fi transferate către memoria principală în caz de nevoie.
3.2.4.10 Programele de grafică pentru un sistem CAD (software-ul CAD)
Echipamentele fizice menţionate anterior ar fi total inutile fără nişte programe de calculator pentru folosirea lor – software de grafică. Software-ul de grafică este o colecţie de programe concepute pentru a facilita folosirea sistemului grafic de către un operator uman. Tipul de programe de grafică implementate pe un anumit sistem CAD depinde în mare masură de echipamentele fizice de care dispune acesta. Spre exemplu, programul necesar afişării unei imagini pe un terminal grafic DSTV este total diferit de cel conceput pentru un terminal digital TV, cu toate că aceste operaţii sunt transparente faţă de utilizator. Newman şi Sproull au definit şase reguli de bază care trebuie să fie luate în considerare la proiectarea unui software de grafică, astfel: - simplu – software-ul trebuie să fie simplu de folosit; - consistent – software-ul trebuie să poată fi folosit într-o manieră consistentă şi predictibilă pentru operatorul uman; - complet – software-ul trebuie să nu prezinte omisiuni în ceea ce priveşte funcţiile grafice pe care le posedă; - robust – sistemul grafic trebuie să fie tolerant la erori mici; - performant – sistemele grafice trebuie să lucreze rapid şi la un nivel calitativ înalt; - economic – programele de grafică nu trebuie să fie mari sau să aibă cost ridicat; În timpul operării unui sistem grafic, un operator uman efectuează o varietate de operaţii, operaţii ce pot fi clasificate în trei categorii: - interacţiuni cu terminalul grafic cu scopul de a crea şi modifica imagini pe ecran; - construirea pe ecran a unui model al unui obiect fizic ; - stocarea acestui model în memoria calculatorului. Operatorul uman nu efectuează aceste trei tipuri de operaţii secvenţial, ci mai degrabă realizează combinaţii între acestea. Motivul pentru care aceste operaţii au fost separate în acest mod este pentru că ele corespund unei configuraţii generale a unui sistem de grafică interactiv. Astfel, programele de grafică pot fi împărţite în trei module: - pachetul de grafică; - programele de aplicaţii; - baza de date a aplicaţiilor. Aşa cum se poate vedea din figura 3.10, un rol important îl poartă programele de aplicaţie. Acestea sunt responsabile pentru citirea de date în/şi din baza de date a sistemului. Aceste programe de aplicaţii sunt controlate de operatorul uman prin intermediul pachetului de grafică. T e r m i n a g r a f i c B
a z a d a t e
d
e
P a c h e t u l d e g r a f i c ã D S
i s p o z i t i d e i n t r a r tţ a C
i e d A D
e
Figura 3.10 Structura generală a unui software de grafică
a) Programele de aplicaţii Programele de aplicaţii sunt folosite de operatorul uman pentru a construi modelul unei entităţi fizice a cărei imagine trebuie să fie văzută pe ecranul terminalului grafic. Aceste aplicaţii sunt scrise pentru diverse domenii cum ar fi arhitectura, construcţiile, ingineria mecanică, chimia şi aviaţia etc. şi folosesc convenţii care sunt specifice acestor ramuri industriale. Pachetul de grafică este programul de calculator care asigură comunicarea dintre operatorul uman şi terminalul grafic. Acesta este totodată şi legătura dintre aplicaţiile de program şi operatorul uman şi conţine funcţii de intrare şi funcţii de ieşire. Funcţiile de intrare acceptă comenzi şi date de intrare de la operatorul uman. Funcţiile de ieşire comandă şi controlează vizualizarea imaginilor pe terminalul grafic. Cel de-al treilea modul, baza de data, conţine modele matematice, numerice şi logice predifinite, ca de exemplu circuitele electronice, componentele mecanice, părţile de automobil şi aşa mai departe. Baza de date a sistemului poate conţine de asemenea şi informaţie alfanumerică asociată cu modelele respective, ca de exemplu costurile şi proprietăţile materialelor etc. Funcţiile unui pachet de grafică Un pachet de grafică, pentru a-şi indeplini rolul într-un sistem grafic, trebuie să realizeze o varietate de funcţii diferite. Aceste funcţii pot fi grupate în mai multe seturi şi fiecare set trebuie să îndeplinească un anumit tip de interacţie între operatorul uman şi sistem. Cele mai comune seturi de funcţii sunt: - generarea de elemente grafice. Un element grafic este o entitate de bază a unei imagini (de exemplu punct, segment de dreaptă, cerc etc. sau în cazul graficii tri-dimensionale o sferă, un cub sau un cilindru). Acestea se mai numesc şi primitive grafice ; - transformările. Transformările sunt folosite pentru a schimba imaginea pe ecranul terminalului grafic. Acestea sunt aplicate primitivelor grafice pentru a asista şi ajuta operatorul uman în construirea modelului grafic. Se pot menţiona schimbarea dimensiunilor unei primitive (scalare), translaţia , rotirea imaginilor etc; - funcţiile de segmentare . Acestea permit operatorului uman să selecteze anumite părţi de imagine şi să aplice transformări numai asupra acestora; - funcţiile de control al vizualizării imaginii . Acestea permit operatorului să vizualizeze imaginea din unghiul şi la scara dorită; - funcţiile de intrare . Acestea permit operatorului de a introduce comenzi şi date către sistem. Aceste funcţii sunt în directă legatură cu dispozitivele de intrare existente în sistem şi trebuie să fie scrise în aşa fel încât să faciliteze folosirea acestora de către operator. Alte proprietăţi ale sistemelor de grafică CAD Multe din sistemele CAD din prezent oferă abilităţi extinse pentru dezvoltarea de desene inginereşti. Aceaste abilităţi includ:
- haşurarea automată a suprafeţelor; - abilitatea de a scrie text în desen; - cotarea automată sau semi-automată; - calcularea automată a costurilor materialelor brute necesare pentru producţia obiectului sau modelului din schiţa/desen. Toate aceste abilităţi ajută la reducerea timpilor necesari terminării procesului de desenare şi schiţare.
3.2.4.11 Exemple de folosire CAD Folosirea sistemelor de proiectare CAD/CAM reprezintă la ora actuală nu un obiectiv cum se întampla acum câţiva ani, ci o necesitate obiectivă venită în întâmpinarea noilor cerinţe de realizare a unor produse cu calităţi deosebite, a implementării unor tehnologii desebit de productive atât de necesare în implementarea noilor concepţii economice de piaţă şi în integrarea economică mondială a cărei perspectivă este aproape certă. Pentru înţelegera noţiunilor de CAD/CAM trebuie avute în vedere o serie de pachete de software ce asigură realizarea, urmărirea şi optimizarea unui produs din faza de concepţie a acestuia, trecând prin faza de producţie, până în faza de control. Orice sistem de proiectare şi producţie asistată de calculator este un sistem flexibil ce înglobează o sumă de programe dintre care pot fi folosite unele sau altele funcţie de cerinţele concrete ale fiecărui producător şi de opţiunile proiectantului de sistem. Ţinând cont de aceste elemente trebuie remarcată folosirea încă în etapa de proiectare a unor programe de desenare, ce evoluează permanent, şi care au început să-şi depăşească titulatura prin îmbunătăţiri ce extind aria de folosire şi către alte atribuţii. Dintre aceste software-uri se remarcă folosirea celor intitulate ACAD sau PROENGINEER. Aceste programe realizează desene în 2D, 3D sau corpuri solide înzestrate cu anumite proprietăţi. Produsul finit al acestor programe poate fi folosit ca atare sau poate fi element de intrare pentru alte programe specializate cum ar fi cele folosite pe maşinile-unelte pentru producerea fizică a pieselor sau pentru programe de simulare pe calculator a comportării în anumite condiţii cerute. Din rândul acestor programe se pot remarca: ANSYS, NASTRAN sau COSMOS, programe ce folosesc teoria elementului finit şi care sunt foarte folosite la ora actuală. Ca primă etapă în folosirea sistemelor CAD/CAM este realizarea desenului piesei, a desenului de subansamblu sau a celui de ansamblu. Pentru realizarea acestui desen nu se poate impune o metodologie clară de lucru, aceasta rămânând la latitudinea fiecărui proiectant în parte. Totuşi se pot remarca câteva etape ce sunt necesare a fi parcurse şi care pot ajuta la realizarea unui desen corect şi în timp minim. În figura 3.11 se prezintă desenul unui corp de pompă ce se poate încadra în clasa corpurilor complexe. Etapele sugerate a se parcurge în eleborarea unui astfel de desen ar putea fi:
1° - definirea limitelor spaţiului de lucru şi anume a formatului sub care se face reprezentarea. Astfel, în general se folosesc formatele A4, sau A3 însă ca avantaj a acestui program este adaptarea acestuia la orice cerinţă. Pentru aceasta se foloseşte comanda “ Limits” în care se introduc cordonatele colţului din stânga jos şi a celui din dreapta sus; φ65H8 A
±0,02 59,3 0,002 53,2±
A
±0,2
94±0,02
36
φ65H8
42±0,2 30±0,02
6,3
22
o
30 31+0,5
37+0,5
30
o
-0,2
84
A-A
67
φ 36H6
12,5
Material: Fc200
Figura 3.11 Corp de pompă
2° - a doua etapă este cea de vizualizare a acestui spaţiu folosind pentru aceasta o reţea de puncte fine numită “ Grid “. Pentru programul ACAD 2000 distanţa implicită dintre acestea este de 10 mm dar se poate alege orice altă valoare; 3 ° - în a treia etapă, funcţie de caracteristicile desenului se pot activa ( cum la fel de uşor se pot dezactiva în funcţie de necesităţi ) comenzile “ Ortho “ sau “ Snap” prin care cursorul de pe ecran se va deplasa numai pe direcţii ortogonale sau respectiv numai în puncte discrete situate la distanţe ce pot fi alese iniţial de desenator. Aceste comenzi sunt foarte utile şi ajută la reducera timpului de lucru; 4° - după stabilirea acestor “ unelte de lucru “ funcţie de caracteristicile desenului şi de modul de lucru al proiectantului se poate trece la desenarea efectivă . În mod normal, dacă desenul are axe de simetrie se începe prin reprezentarea acestora. Pentru aceasta se va folosi un gen de linie- punct ce se alege din lista de tipuri de linii oferite de program. Comanda pentru trasarea liniei se face cu opţiunea “ Line “. În cadrul piesei prezentate se observă existenţa axelor de simetrie ce vor fi trasate acum;
5° - în această etapă se va trece la realizarea efectivă a desenului folosind tipul de linie necesar, în general linia continuă. De remarcat este opţiunea pentru stabilirea grosimii de linie mai ales în cazul în care desenul prezintă haşuri a căror grosime de linie este mai mică decât a liniilor de contur. Această opţiune se stabileşte cu ajutorul comenzii “ Pline”. În cazul în care se doreşte modificarea grosimii de linie folosită anterior se foloseşte comanda “ Pedit “. Pentru piesa prezentată grosimea liniilor de contur se poate alege 0,3. Pentru realizarea liniilor drepte se foloseste comanda “ Line “, pentru cercuri “ Circle “, pentru arcuri de cerc “ Arc “ s.a.m.d. Pentru realizarea zonelor haşurate este recomandabil, pe cât este posibil, executarea întâi a acestora şi cu aceeaşi linie. În orice caz aceste suprafeţe trebuie să fie delimitate de linii închise, ce se intersectează, pentru a se uşura mai apoi realizarea haşurii; 6° - în situaţia în care piesa are una sau mai multe simetrii se va urmări realizarea numai a unei jumătăţi iar după aceea folosind comanda “ Mirror “, automat, programul va trasa şi cealaltă jumatate; 7° - deorece desenul prezentat are mai multe entităţi ce se repetă (cercuri) folosind comanda “ Copy “ se vor realiza mai multe copii ale acestora ce se vor poziţiona foarte repede în punctele dorite; 8 ° - după realizarea tuturor liniilor de contur, folosind pentru aceasta un meniu foarte bogat oferit de program, se trece la realizarea haşurilor . Pentru aceasta se foloseşte comanda “ Hatch “. Prin activarea acestei comenzi programul oferă o serie de opţiuni precum: - “ Pattern “ pentru stabilirea tipului haşurii; - “ Angle “ pentru stabilirea unghiului sub care se realizează aceasta faţă de poziţia iniţială; - “ Scale “ pentru stabilirea “densităţii” de linii faţă de o valoare prestabilită. Pentru selectarea suprafeţei ce va fi haşurată se definesc două metode: - “ Pick Points “ în care se alege un punct în interiorul suprafeţei şi de aceea este bine ca aceasta să fie delimitată de linii ce se intersectează, în caz contrar comanda nereţinându-se; - “ Select Objects “ prin care se selectează fiecare entitate ce defineşte suprafaţa ce trebuie haşurată. În cazul în care acestea nu se intersectează haşura nu se va executa corect. 9° - după executarea haşurii se va trece la realizarea cotării desenului. Pentru aceasta Programul ACAD 2000 uşurează foarte mult munca desenatorului realizând cotarea foarte uşor doar prin indicarea, de exemplu, a capetelor unei linii. Pentru cotare se foloseşte comanda “ Dimension “ cu opţiuni pentru cote liniare, unghiulare, radiale s.a.m.d. Faţă de versiunile anterioare ale programului această comandă a suferit multe îmbunătăţiri fiind acum foarte uşor de folosit.
Urmărind astfel doar câteva din etapele sau noţiunile folosite în relizarea unui desen cu ajutorul programului AUTOCAD se pot uşor observa facilităţile oferite şi posibilitatea realizării unui desen corect în timp scurt.
10.2.5 Producţia asistată de calculator – CAM 10.2.5.1 Controlul Numeric (CN) - începuturile CAM Multe din realizările CAD/CAM-ului îşi au originea în controlul numeric (CN). Acesta poate fi definit ca o formă de automatizare programabilă în care un anumit proces este controlat de numere, litere şi simboluri . În CN numerele formează un program de instrucţiuni realizat pentru un anumit proces. Când procesul se schimbă, programul se schimbă la rândul său. Acesta este marele avantaj al controlului numeric – flexibilitatea. Este mult mai uşor să schimbi nişte numere şi simboluri într-un program decât să schimbi echipamentul şi linia de producţie. Controlul numeric a fost folosit cu succes într-o gamă largă de aplicaţii, începând cu desenul tehnic, asamblarea, inspecţia şi până la sudarea în puncte. Însă, majoritatea aplicaţiilor controlului numeric sunt în domeniul prelucrării materialelor. Controlul numeric convenţional este în mare masură bazat pe munca unui singur pionier în acest domeniu – John Parsons. În anul 1940 acesta a pus la punct o metodă pentru folosirea cartelelor perforate pentru controlul poziţiei unei maşini-unealte. Maşina a fost învăţată să se mute pas cu pas, cu amplitudini mici, astfel putându-se genera o suprafată dorită. În 1948 Parsons şi-a demonstrat teoria în faţa U.S. Air Force care, în consecinţă, a început să-i sponsorizeze munca la Massaschusetts Institute of Technology (MIT). Începând cu anul 1953, avantajele CN au început să fie cunoscute în toată lumea, producătorii de maşini-unelte începând să-şi definească propriile programe de cercetare în acest domeniu. U.S. Air Force şi-a continuat sponsorizarea şi în alte programe de CN cu MIT, ca de exemplu Automatically Programmed Tools (APT) – Scule Automate Programate. Scopul APT a fost cercetarea unor căi de comunicare dintre inginerul de sistem şi maşina-unealtă în limba engleză. APT este încă folosit pe scară largă şi în prezent şi multe limbaje de programare de CN folosesc nucleul APT. 10.2.5.2 Structura generala a unui sistem de CN Un sistem de control numeric este format din urmatoarele trei părţi componente principale (figura 3.12): P
S
r o g r a m i n s tţr u c
I S
T E
M
u l d Ue n i t a t e a m şa i n ã i u n i
D
E
C
N
d e c o ( U C M
n t rM o ş al i n a ) u n eă a l t
Figura 3.12 Structura generală a unui sistem de control numeric
- programul de instrucţiuni; - unitatea de control maşină (UCM); - maşina-unealtă sau alt proces de control . Programul de instrucţiuni constituie datele de intrare pentru UCM, iar aceasta la rândul ei comandă maşina-unealtă.
Programul de instrucţiuni Acesta reprezintă o listă de instrucţiuni care comunică maşinii-unelte ce trebuie să facă. De obicei, acest program este codat în formă numerică sau alt tip de mediu de intrare care poate fi interpretat de unitatea de control UCM. După cum s-a mai menţionat s-a plecat de la folosirea cartelelor perforate şi s-a ajuns în zilele noastre la unităţi flexibile sau fixe de disc, unităţi de CD, chiar comenzi vocale. Există două metode de comunicare a acestui program de instrucţiuni unităţii de control. Prima metodă este aceea de introducere manuală a fiecărei instrucţiuni. Aceasta se foloseşte pentru procesele simple. A doua metodă o constituie legătura directă cu un calculator digital . Aceasta se numeşte controul numeric direct şi în acest caz, programul este transmis către UCM. b) Unitatea de control maşină (UCM) Aceasta este formată dintr-o serie de circuite electronice şi este capabilă de a citi, interpreta şi converti instrucţiunile program în acţiuni mecanice ale maşinii-unelte. În general, structura unei UCM este prezentată în figura 3.13. S e i eş m şa
U
n i t a t e a d e B u f e r c i t ir e d a t e i n s tţ r u c i u n i
m
n a l e d e i r e c ã t r e i n a - u n e a l
C o n t r oş l o a r e i d ce o o r d o n a t o a M r şe a d i en u n e a l p r o g r a m
C d
a n a l e d e l aş m a
e
r ã s i n a - u
Figura 3.13 Structura generală a unei UCM
Unitatea de citire instrucţiuni este un dispozitiv electro-mecanic care realizează citirea manuală sau automată a instrucţiunilor program. Aceste instrucţiuni şi date sunt stocate în buferul de date sub formă de blocuri logice de informaţie. Un bloc de informaţie reprezintă de obicei un singur pas a unei secvenţe de instrucţiuni. De exemplu, un bloc poate conţine instructiunile necesare deplasării capului maşinii-unelte şi realizarea unei găuri la destinaţie. Semnalele de ieşire către maşina-unealtă sunt conectate direct cu servomotoarele
şi alte elemente electromecanice de control. Prin aceste semnale se transmit instrucţiuni către maşina-unealtă. Pentru a fi siguri că aceste instrucţiuni sunt executate corect, canalele de răspuns transmit informaţii pentru eventuala corectare a acestora. Toate aceste componente sunt comandate şi controlate de coordonatoarele de control program care asigură buna funcţionare a întregului proces. O componentă importantă a unui sistem de CN este panoul de control . Acesta conţine comutatoare, întrerupătoare şi alte elemente mecano-electrice cu care operatorul uman poate controla sistemul de control numeric. Maşina-unealtă sau alt proces de control A treia componentă de bază a unui sistem de control numeric este maşinaunealtă sau un alt proces ce trebuie controlat. În general, o maşină-unealtă, proiectată pentru a realiza anumite operaţii, conţine o masă de lucru, capete de lucru şi motoarele necesare pentru lucrul cu acestea. De asemenea poate conţine elemente de tăiat, de fixare a obiectelor de prelucrat cât şi alte elemente auxiliare necesare în operaţiile respective. Figura 3.14 prezintă două exemple de maşiniunelte cu control numeric.
Figura 3.14 Exemple de maşini-unelte de prelucrare prin aşchiere cu CN
3.2.5.3. Procedura de control numeric Pentru utilizarea controlului numeric în procesul de producţie, trebuie avuţi în vedere următorii paşi: a) planificarea procesului . Această etapă se referă la pregatirea unei liste de operaţii necesare procesului de producţie. Secvenţele de operaţii se referă atât la procesul de producţie în sine, cât şi la operaţiile necesare maşinii-unelte pentru obţinerea rezultatelor dorite; b) programarea parţială. Fiecare porţiune din procesul de producţie trebuie programată într-un limbaj pe care sistemul de CN îl poate interpreta, înţelege şi executa. Operatorii însărcinaţi cu programarea parţială nu fac decât să traducă lista de secvenţe de
operaţii obţinute la pasul anterior într-un format special. Există două metode de programare pentru un sistem de CN: programarea manuală; programare asistată de calculator. În programarea manuală, instrucţiunile sunt pregătite de operator într-un document care conţine de fapt poziţiile relative şi operaţiile pe care maşinaunealtă trebuie să le facă la un moment dat în timp, cât şi ordinea acestora. În programarea asistată de calculator, majoritatea acestor instrucţiuni sunt generate automat, uşurând cu mult munca programatorilor umani. În cazul unor piese cu geometrie complexă, sau procese de producţie cu multe operaţii, avantajul celei de-a doua metode este în principal economia de resurse umane şi timp; c) pregătirea şi verificarea suportului de introducere date (cartele perforate, unităţi de disc etc.). În programarea manuală, programul rezultat este înregistrat manual pe suportul de intrare, fie că acesta este o bandă perforată, cartela perforată, fie bandă sau discuri magnetice etc. Programarea asistată de calculator aduce şi în acest caz un avantaj prin aceea că programul este înregistrat automat pe suportul respectiv, fără ca operatorul uman să intervină în vreun fel. Verificarea suportului pe care s-a stocat programul de proces se face în general prin simularea acesteia pe un calculator sau chiar pe maşina-unealtă respectivă, folosind materialele plastice. Erorile întâlnite se corectează şi un nou suport este pregătit. Procesul este ciclic şi se termină când nici o eroare nu mai apare în operaţia de producţie. În general sunt necesari trei cicluri pentru ca versiunea finală, fără erori a programului să poată fi folosită în producţie. d) producţia. Este ultima etapă a procedurii de CN. Aceasta presupune folosirea programului în procesul de producţie. Misiunea operatorului uman este aceea de a comanda materialele brute necesare, de a le încărca în maşina-unealtă şi de a fixa poziţia de start a capetelor de prelucrare faţă de piesa de prelucrat. În acest moment, CN poate prelua controlul procesului în funcţie de instrucţiunile stocate. Când piesa este gata, operatorul poate încărca piesa următoare şi procesul continuă în acest mod.
3.2.5.4. Controlul mişcării în sistemele cu CN Pentru a se putea efectua procesele de prelucrare, un sistem de CN trebuie să aibă posibilitatea de a mişca sculele sau capetele de lucru şi piesa de prelucrat, una faţă de cealaltă. În sistemele cu CN există trei moduri de mişcare de bază: a) punct-cu-punct . În acest caz, scopul maşinii-unelte este să poziţioneze capul de prelucrare la o locaţie predefinită. Viteza şi felul cum se ajunge în acea locaţie nu contează;
b) paralel . În acest caz, capul de prelucrat este mişcat cu o viteză controlată paralel cu una dintre axele principale ale întregului sistem; c) pe contur . Mişcarea pe contur este cea mai complexă, flexibilă şi cea mai scumpă dintre cele trei şi constă în urmărirea continuă a unui contur predefinit format din curbe geometrice Un sistem de CN cu mişcare pe contur este capabil să efectueze toate cele trei mişcări.
3.2.5.5. Aplicaţii de control numeric În zilele noastre, sistemele de CN sunt folosite pe scară largă în lume, mai ales în industria de prelucrare a materialelor. Cele mai multe aplicaţii ale CN sunt pentru maşinile de prelucrare prin aşchiere. În această categorie de maşiniunelte, sisteme de CN au fost realizate pentru a executa practic aproape toată gama de procese de înlăturare a adaosului de prelucrare, ca de exemplu: aşchierea; laminarea; matriţarea; forjarea; ambutisarea etc. Maşinile-unelte cu CN sunt eficiente doar pentru anumite operaţii, neaducând nici un avantaj pentru altele. Caracteristicile generale ale proceselor de producţie pentru care se pretează folosirea unor maşini-unelte cu CN sunt: piesele sunt realizate frecvent şi în loturi mici; geometria pieselor este complexă; în timpul prelucrării sunt necesare multe operaţii simple; există mult material în exces(adaosul de prelucrare este mare şi neuniform distribuit); sunt operate foarte des schimbări în schiţele de proiectare ; piesa necesită un control de calitate de 100%. Pentru ca un proces de producţie să fie realizat cu ajutorului unui sistem de CN nu este necesar ca toate aceste caracteristici să fie prezente. Totuşi, cu cât procesul are cât mai multe dintre aceste caracteristici, cu atât procesul poate fi un candidat din ce în ce mai bun pentru CN. În afară de prelucrările metalice, CN a fost şi este folosit cu succes şi în alte operaţii, ca de exemplu prese, maşini de sudat, maşini de sudat în puncte, maşini de control, maşini de asamblare, maşini de tăiere cu plasmă, procese realizate cu ajutorul fasciculelor laser etc.
3.2.5.6 Avantajele folosirii unui sistem de CN În cazurile când este implementat, un sistem de CN aduce un număr de avantaje semnificative. Câteva din aceste avantaje sunt prezentate în continuare, cu menţiunea că acestea sunt prezente doar în cazul sistemelor de CN implementate în domeniile şi procesele prezentate în paragrafele precedente şi anume:
- reduceri însemnate ale timpului neproductiv . Maşinile cu CN nu au nici un fel de influenţă asupra proceselor de bază de aşchiere. Totuşi, efectul folosirii CN se manifestă în primul rând prin scurtarea timpilor de pregătire-încheiere a prelucrării, reducerea timpilor de manevrare a piesei, schimbarea automată a sculelor pentru anumite maşini şi aşa mai departe. Smith şi Evans în 1977 au efectuat un studiu asupra efectului maşinilor cu CN faţă de maşinile convenţionale. Rezultatele găsite au arătat o scurtare a timpilor între 20% si 80%. Timpii de prelucrare tind să se scurteze cu cât complexitatea procesului de prelucrare creşte; - folosirea mai puţin frecventă a mijloacelor de fixare a pieselor . Datorită faptului că pozitionarea capetelor de prelucrare ale maşinii se face prin CN, fixarea piesei se poate face cu costuri foarte scăzute nefiind necesare dispozitive complexe pentru aceasta; - o mai mare flexibilitate în producţie . Folosind CN este mai puţin dificil să adaptezi schimbările inerente dintr-un proiect. Totodată, chiar schimbarea timpilor de producţie şi de livrare poate fi făcută, fapt ce poate constitui la rândul său o creştere a flexibilităţii procesului de producţie; - un control al calităţii îmbunătăţit . Sistemele de CN sunt binevenite acolo unde piesele au o complexitate sporită şi unde şansele de eroare umană sunt mari. Aceste sisteme produc piese cu erori de prelucrare reduse.
3.2.5.7. Dezavantajele folosirii unui sistem de CN Pe lângă avantaje, sistemele de CN prezintă şi o serie de dezavantaje, cum ar fi: - investiţii cu cost ridicat . Maşinile-unelte cu control numeric reprezintă sisteme de o tehnologie sofisticată şi complexă. De aceea, de multe ori, costul unei asemenea maşini poate fi foarte ridicat în comparaţie cu cele tradiţionale. Amortizarea acestor costuri ridicate presupune o mai mare utilizare a acestor maşini faţă de cea a celor tradiţionale; - costuri ridicate de întreţinere. Datorită faptului că maşinile de CN sunt mai complexe şi sunt folosite mai intens problema întreţinerii este mai stringentă. Deşi fiabilitarea sistemelor de CN a fost dovedită de-a lungul anilor, de multe ori întreţinerea este mult mai ridicată decât cea a unor maşini convenţionale; - problema găsirii şi instruirii operatorilor. Anumite aspecte ale operaţiilor maşinilor cu CN necesită cunoştinţe şi îndemânare ridicată faţă de operaţiile convenţionale, de aceea găsirea, angajarea şi instruirea unor operatori cu aceste calităţi tebuie să fie considerată ca un dezavantaj.
3.2.5.8. Roboţii industriali Un robot industrial este o maşină programabilă, având anumite caracteristici antropomorfice. De exemplu, una dintre caracteristicile antropomorfe tipice este braţul. Acest braţ, împreună cu capacitatea robotului de a fi programat, face ideală folosirea acestuia la o serie de procese de producţie, ca de exemplu sudarea în puncte, vopsire şi asamblarea. Un robot poate fi programat să realizeze o secvenţă de mişcări mecanice. Această secvenţă poate fi repetată la nesfârşit, sau până când robotul este reprogramat să realizeze altă operaţie. Robotul industrial are multe atribute în comun cu o maşină-unealtă cu CN. Acelaşi tip de tehnologie care este folosită pentru operarea unei maşini CN este folosită pentru mişcarea braţului robotului. Programarea unui robot diferă însă de programarea CN. Spre deosebire de o maşină cu CN, unde programul este stocat pe un suport extern, la un robot programarea se stochează direct în memoria electronică a acestuia. Conceptul popular de robot a fost introdus de literatura ştiinţificofantastică sau de filmele de genul “Războiul Stelelor”. Asemănarea unor astfel de roboţi atât cu anatomia umană, cât şi cu comportamentul uman, este mult exagerată. De aceea, există multe încercări de a defini un robot care să nu mai ţină seama de aspectul antropomorfic. Structura generală a unui robot este prezentată în figura 3.15. P
r o g r a m
U
n i t a t e c e n t r a l ã d e e x eţ c u i e ş i c o n t r o l
S
e r v o m o t şo a r e a c t u a t o a r e
m
i
D i s p o z i t i v e e c a n o - e l e c t r i c e M â i n i l e r o b o t u l u i
O
b i e c t
S
e n z o r
Figura 3.15. Structura generală a unui robot industrial
În primul rând există un program pe care robotul, cu ajutorul unităţii centrale de execuţie şi control, trebuie să-l efectueze. În funcţie de acest program, unitatea de execuţie comandă servomotoarele şi actuatoarele robotului, care la rândul lor acţionează dispozitivele mecano-electrice sau terminaţiile braţului (mâna) cu care este dotat robotul. În tot acest timp, senzorii robotului sunt consultaţi, iar în funcţie de datele furnizate de aceştia, unitatea de execuţie şi control acţionează în consecinţă. De exemplu, Institutul American de Robotică a conceput următoarea definiţie: Un robot este un manipulator multifuncţional, programabil, proiectat pentru a manipula material, piese, scule sau alte tipuri de obiecte cu ajutorul unor mişcări programate în scopul realizării unei largi varietăţi de procese sau prelucrări. a) Configuraţia fizică a unui robot. Roboţii industriali ai zilelor noastre iau forme şi mărimi diferite. De asemenea pot folosi diverse braţe şi sisteme de mişcare a acestora. În prezent, aproape toate tipurile de roboţi industriali disponibili comercial prezintă una din următoarele configuraţii: - configuraţie în coordonate polare; - configuraţie în coordonate cilindrice; - configuraţie braţ cu incheieturi; - configuraţie în coordonate carteziene. Cele patru configuraţii sunt prezentate şi în figura 3.16. Configuraţia în coordonate polare mai poartă şi numele de coordonate sferice pentru că, în acest caz, robotul işi poate mişca braţul într-un spaţiu descris de o sferă parţială. Aşa cum se poate vedea în figura 3.16,a , robotul posedă o bază de rotaţie şi un pivot care poate fi folosit la ridicarea sau coborârea braţului telescopic. În coordonate cilindrice, corpul robotului este o coloană verticală care se învârte în jurul axei verticale (figura 3.16, b). Braţul mobil al robotului este format dintr-o serie de lagăre care permit mişcări în ''sus'' sau în ''jos'', de ''înainte'' şi ''înapoi'' faţă de corpul acestuia. Braţul cu încheieturi este foarte similar cu un braţ uman aşa cum se poate vedea în figura 3.16,c. Este format din mai multe segmente drepte conectate între ele prin încheieturi care sunt similare cu umărul, cotul sau genunchiul uman. Braţul robotului este montat pe o bază pentru a se asigura rotaţia acestuia într-un spaţiu sferic. Un robot construit în configuraţie de coordonate carteziene prezintă trei dispozitive de alunecare pe direcţia fiecărei axe de coordonate ale unui sistem cartezian (figura 3.16, d). Prin mişcări ale acestor dispozitive robotul îşi poate deplasa braţul în fiecare punct al spaţiului tridimensional.
a
c
d
Figura10.16 Cele patru configuraţii de bază ale unui robot industrial: a - în coordonate polare; b – în coordonate cilindrice; c - braţ cu încheietură; d – în coordonate carteziene (după Toepperwein şi colaboratorii)
În figura 3.17 sunt prezentate câteva aplicaţii ale unor astfel de roboţi industriali. Cele şase mişcări de bază constau în trei mişcări ale braţului şi corpului robotului şi trei mişcări ale încheieturilor, aşa cum se poate vedea din figura 3.18 şi tabelul 3.2. Axele adiţionale de mişcare sunt de asemenea posibil de definit şi implementat la un robot industrial. Un exemplu ar putea fi punerea robotului pe şine, aceasta conferindu-i acestuia un al şaptelea grad de libertate.
a
b
c
Figura3.17 Exemple de roboţi în diferite configuraţii: a - coordonate clindrice (pentru umplerea cartuşelor de imprimantă cu cerneală); b – configuraţie braţ cu încheieturi (pentru vopsirea subansamblelor) ; c - coordonate carteziene (pentru poziţionarea precisă a pieselor de prelucrat).
Pentru realizarea mişcărilor robotul poate folosi două sisteme de mişcare: punct-cu -punct şi pe contur . Ca şi în cazul maşinilor cu CN, în sistemul punctcu-punct robotul efectuează mişcări de la un punct la celălalt, după ce în prealabil aceste puncte au fost stocate şi programate în memoria electronică a acestuia. Mişcările prin care se ajunge de la un punct la celălalt nu au nici o importanţă în acest caz. Astfel de roboţi pot efectua operaţii de sudare în puncte, încărcare-descărcare piese sau obiecte etc. Spre deosebire de sistemul punct-cu punct, robotul cu mişcare pe contur are abilitatea de a urmări un cadru format din curbe geometrice. Specificaţiile de memorie şi control ale acestor tipuri de roboţi sunt mai complexe faţă de cei punct-cu-punct, pentru că tot conturul trebuie cunoscut şi nu doar anumite puncte din componenţaacestuia. Aplicaţiile unor astfel de roboţi sunt de exemplu vopsirea cu jet de vopsea, procese de sudare continue pe contur etc.
Rotaţională Verticală Indoireaîncheieturii
Rad ială
Ansamblu încheietura
Orizontală
Răsucirea încheieturii
Baza
Figura 3.18 Mişcările unui robot cu şase grade de libertate (după Toepperwein) Tabelul 3.2. Mişcările unui robot cu şase grade de libertate.
Mişcări ale braţului şi corpului Mişcări ale încheieturilor Verticală Radială Rotaţională Răsucirae Îndoirea Orizontală Mişcări de sus jos ale braţului cauzate de Extensia şi Rotaţia faţă pivotarea retractarea de axa Rotaţia întregului braţ braţului verticală încheieturii faţă de o axă orizontală
Mişcarea de sus-jos a Mişcarea stângaîncheieturii dreapta a care încheieturii presupune şi o mişcare rotaţională
În afară de tipul de mişcare şi numărul de grade de libertate, roboţii mai prezintă şi alte caracteristici, ca de pildă precizia mişcării, viteza mişcării, timpul de realizare a mişcării , capacitatea de încărcare etc. Precizia mişcării se referă la trei termeni: rezoluţia spaţială care reprezintă cel mai mic increment al mişcării care poate fi realizată de robot; acurateţea mişcării, care este abilitatea unui robot de a-şi poziţiona mâna la o anumită poziţie şi repetabilitatea care se referă la abilitatea robotului de a-şi poziţiona braţul înapoi la un punct în spaţiul de lucru care a fost deja vizitat. Viteza mişcării poate fi aleasă în funcţie de operaţiile de efectuat. Un maxim al acestei viteze este de 1.5 m/s. Capacitatea de încărcare a robotului reprezintă în general capacitatea acesteia de a ridica anumite greutăţi. În prezent există roboţi capabili să ridice de la 0.5 kg până la 1t. Tipul mişcării se referă la actuatoarele şi motoarele folosite pentru realizarea mişcărilor. Acestea pot fi în general hidraulice, electrice, pneumatice sau ultrasonice. Programarea şi limbaje de programare pentru roboţii industriali Există mai multe metode în care un robot industrial poate fi programat:
metoda manuală – nu e de fapt o tehnică de programare deoarece ea presupune mai mult folosirea de întrerupătoare, comutatoare sau alte mijloace pentru controlul unui robot; metoda walkthrough – programatorul efectuează manual mişcările dorite ale robotului care sunt stocate în memoria acestuia pentru o folosire viitoare; metoda leadthrough – programatorul operează robotul cu ajutorul unor mijloace electronice/mecanice ca de exemplu întrerupătoare, iar mişcările efectuate de robot sunt memorate în memoria acestuia; programare off-line – programarea este efectuată de obicei pe un calculator, iar apoi este transferată robotului. Primele trei metode de programare nu necesită folosirea unui anumit limbaj de programare. Cea de-a patra metodă însă este dependentă de folosirea unu limbaj de programare specific proiectat pentru roboţii industriali. Există numeroase versiuni de limbaje de programare ale roboţilor. Două dintre aceste limbaje sunt VAL şi MCL. VAL – Victor’s Assembly Language – a fost conceput de Victor Scheinman pentru roboţii PUMA produşi de Unimation Inc. VAL prezintă două tipuri de instrucţiuni: instrucţiuni administrative care se referă la funcţii de genul pregătirii robotului pentru stocarea sau execuţia unui program, definirea punctelor în spaţiu, comenzi de execuţie a programului şi instrucţiuni de programare care reprezintă o serie de mişcări de bază ale robotului. MCL – Machine Control Language – a fost dezvoltat de McDonnellDouglas Corporation pentru un contract cu U.S. Air Force şi este bazat pe APT, limbajul de programare a unei maşini-unelte cu CN. Exemple de instrucţiuni pentru comandarea roboţilor sunt prezentate în tabelul 10.3. -
Tabelul 10.3. Exemple de instrucţiuni de comandare a roboţilor
VAL MCL MOVE – mişcă robotul la o SEND – trimite un semnal de locaţie specificată ieşire către o destinaţie specificată MOVES – mişcă robotul RECEIV – primeşte un între două puncte specificate semnal de intrare de la o sursă specificată APPRO – mişcă mâna ABORT – opreşte întreaga robotului cu o anumită activitate distanţă faţă de un punct specificat OPEN – comandă de TASK – permite definirea deschidere a “pumnului” sau unor secvenţe de mişcări cleştelui mâinii robotului pentru robot
c)Terminaţiile braţelor unui robot sau “mâinile” acestora. Acestea pot fi definite ca nişte dispozitive care sunt ataşate încheieturii braţului unui robot pentru a realiza o anumită operaţie. Este o unealtă specială ce ajută robotul să-şi ducă la sfârşit cu bine sarcina de îndeplinit. Există o mare varietate de mâini robotice, posibilităţile de construcţie ale acestora fiind limitate doar de igeniozitatea şi imaginaţia constructorilor. Există două mari categorii de “mâini”: cleşti (grippers) şi capete de prelucrare (scule). Cleştii sunt folosiţi atât pentru prinderea unor piese cât şi a sculelor specifice de prelucrare. Felul în care este proiectat un cleşte depinde de natura prelucrării sau procesului pe care robotul trebuie să-l efectueze. Câteva exemple clasice de cleşti sunt urmatoarele: cleşti mecanici, unde forţa de frecare sau materialul din care este realizat ajută la prinderea obiectelor; cupe de sucţiune, folosite în special pentru reţinerea obiectelor plate; cleşti magnetizaţi, folosiţi pentru reţinerea obiectelor metalice; cârlige, folosite pentru ridicarea anumitor obiecte; furtune, folosite pentru fluide, pulberi sau substanţe granulare. Există aplicaţii când un cleşte este folosit pentru prinderea sau reţinerea unei anumite scule de prelucrare, cu care apoi efectuează operaţiile pentru care a fost programat. În majoritatea cazurilor însă, sculele de prelucrare sunt prinse direct pe braţul robotului. Câteva exemple de scule de prelucrare folosite sunt: pistoletele de sudare în puncte, dispozitivele de sudare cu arc electric, dispozitivele de găurit, de aşchiere, de frezare etc. d) Senzorii robotici. Pentru a-şi putea îndeplini cu succes sarcinile, un robot trebuie să posede abilităţi senzoriale aproape umane. Aceste abilităţi senzoriale includ vederea şi coordonarea mână-ochi, pipăitul şi auzul. De aceea, senzorii folosiţi în robotică pot fi înpărţiţi în trei categorii: senzori vizuali; senzori tactili şi de proximitate; senzori de voce. Cercetarea în domeniul roboticii şi-a concetrat atenţia asupra senzorilor vizuali. Vederea în cazul unui robot este posibilă cu ajutorul camerelor video, a unei surse de lumina şi a unui calculator capabil să proceseze în timp real imaginile. Camera video este montată de obicei pe robot sau deasupra acestuia, astfel încât câmpul de vedere să includă spaţiul de lucru al acestuia. Programele de procesare de imagine permit ca sistemul să sesizeze prezenţa, poziţia şi orientarea unor obiecte, robotul putând astfel realiza operaţii de recuperare a pieselor sau obiectelor răspândite aleator pe o bandă de lucru, să recunoască anumite piese necesare altui proces, să facă inspecţii vizuale asupra pieselor prelucrate şi aşa mai departe. Senzorii tactili dau posibilitatea robotului de a răspunde la forţe de contact între sine şi alte obiecte din spaţiul său de lucru. Aceştia sunt folosiţi de obicei pentru a se indica dacă vreun contact fizic s-a realizat cu un obiect.
Senzorii vocali permit robotului să recunoască vocea umană. Astfel, dacă anumite comenzi sunt recunoscute de robot, acesta va acţiona în consecinţă. În acest mod , de exemplu, programarea robotului devine mult mai facilă sau robotul poate fi reprogramat chiar în timpul lucrului. Avantaje ale folosirii roboţilor industriali. Câteva dintre avantajele folosirii unui robot într-un proces industrial sunt prezentate în continuare: - lucrul în medii de muncă periculoase pentru viaţa umană. În situaţii de lucru când există pericole potenţiale ca de exemplu căldura excesivă, radiaţii sau toxicitate, sau locul este prea inconfortabil şi neplăcut, un robot poate fi considerat ca un înlocuitor al unui muncitor uman. Exemple de astfel de situaţii de lucru sunt turnarea, vopsirea, forjarea, cercetarea craterului unui vulcan activ, a unui reactor etc.; - procedee ce au o repetabilitate crescută în timp . Dacă procesul de producţie necesită operaţii care se repetă fără deosebiri de la un ciclu de producţie la altul, un robot poate fi programat special pentru această activitate; - manevrare dificilă . În cazul în care procesul de producţie presupune manevrarea dificilă a pieselor sau capetelor de lucru necesare, atunci un robot poate fi programat pentru realizarea prelucrărilor. Un exemplu poate fi un proces de producţie în care este necesară manevrarea unor piese de greutate ridicată, făcând astfel practic imposibilă folosirea muncitorilor umani. Exemple de implementare a roboţilor. Pentru primele aplicaţii se pot enumera: - sudarea în puncte. Sudarea în puncte este un proces în care părţi de metal sunt asamblate în anumite puncte specificate, prin trecerea unui curent electric de intensitate mare prin punctele de contact dintre cele două părţi. Procesul este realizat cu ajutorul unor electrozi care presează materialele de sudat şi conduc curentul prin punctele de contact. O pereche de electrozi are în general formă de cleşti. Aceşti cleşti pot fi montaţi cu uşurinţă ca terminaţie a unui brat de robot. Folosind aceşti electrozi, un robot poate efectua sudarea în puncte prin următoarea secvenţă de operaţii: poziţionarea electrozilor în punctul dorit; presarea celor doi electrozi asupra celor două părţi de sudat; sudarea propriu-zisă şi menţinerea (conducerea curentului prin cele două părţi de metal creează căldura şi fuziunea acestora) în contact; răcirea – înainte de trecerea la următorul punct de contact (un timp suficient este alocat pentru răcirea sudurii). Sudarea în puncte a devenit una dintre cele mai importante aplicaţii ale roboţilor industriali, mai ales în cazul industriei de automobile. Primul robot pentru sudarea în puncte a fost construit în anii 1960 şi a fost folosit pentru realizarea caroseriei automobilelor Vega. În zilele noastre, aproape toţi
constructorii de automobile folosesc roboţi pentru realizarea sudării în puncte a caroseriilor. - sudarea cu arc. Câteva procedee de sudare cu arc electric pot fi realizate cu succes de roboţi. Printre acestea se pot menţiona sudarea în mediu de gaze inerte (sudarea MIG) sau cu tungsten (sudarea TIG). Aceste tipuri de metode de sudare sunt de obicei efectuate de sudori umani, care adesea au de înfruntat condiţii periculoase de lucru (căldura excesivă, discomfort etc.). De aceea, aceste operatii pot fi programate pentru a fi efectuate de roboţi industriali. Totuşi, există şi câteva probleme cu implementarea roboţilor pentru procedeele de sudare cu arc electric. În primul rând, sudarea cu arc este în general folosită pentru un lot mic de piese sau obiecte şi de aceea folosirea roboţilor nu este întotdeauna justificată din punct de vedere economic. În al doilea rând, de multe ori, obiectele de sudat au mărimi foarte diferite. Sudorii umani se pot adapta foarte uşor, la aceste variaţii, însă adaptarea roboţilor este un proces de lungă durată şi costisitor. În al treilea rând, sudorii umani pot fi folosiţi în locuri greu accesibili (în conducte, puţuri, rezervoare), locuri în care prezenţa unui robot este practic imposibilă. În ultimul rând, tehnologia actuală nu posedă senzori performanţi pentru sesizarea variaţiilor parametrilor într-un proces de sudare cu arc. O staţie tipică de roboţi de sudare conţine următoarele: un robot capabil de mişcări pe contur; unitatea de sudare, formată din capete de sudare şi sursa electrică de putere; un manipulator al pieselor care tebuie să poziţioneze şi să preseze părţile metalice de sudat. Un controlor al proceselor este adesea necesar pentru a coordona activitatea celor trei părţi ale sistemului de sudare. În unele sisteme de sudare cu arc, operatorii umani pot încărca şi fixa părţile de sudat, robotul efectuând doar sudarea. Dintre avantajele atribuite unui sistem robotic de sudare cu arc se pot aminti: productivitatea crescută, protecţia muncii mărită, suduri mai bune şi mai consistente. Creşterea productivităţii rezultă din faptul că un robot nu are nevoie de pauză între procesele de sudare (ştiut fiind că procesul de sudare este unul obositor, necesitând o coordonare ochi-mână foarte ridicată), ca şi din faptul că manipulatorul încarcă şi descarcă părţile de sudare fără a “obosi”.
3.2.6. Aplicaţie CAD/CAM - Rapid Prototyping Una dintre cele mai importante implicaţii ale implementării CAD/CAM în procesele de producţie este aceea a realizării de prototipuri ale produselor în regim rapid de lucru (RP - rapid prototyping).
3.2.6.1 Definiţie În ultima decadă, un număr de sisteme de producţie noi au fost dezvoltate. Acestea permit conversia conceptului unui produs complex într-o replică solidă într-o perioadă scurtă de timp (de la câteva ore, la câteva zile). Tehnologiile convenţionale presupun realizarea unui prototip în săptămâni sau chiar luni. Acestă nouă tehnologie, RP, a fost dezvoltată în principal în SUA şi este acum folosită pe scară medie în toată lumea. RP este descris în principal ca metoda în care piesa este creată prin adăugare repetată a unui strat de material. Folosind programe de calculator specializate în grafică în trei dimensiuni, un model 3D CAD este “tăiat” în straturi sau secţiuni foarte subţiri. Apoi, în funcţie de metoda specifică folosită, maşina sau sistemul RP construieşte piesa strat cu strat până când o replică solidă a modelului CAD este generată. Selecţia materialului este de asemenea specifică metodei folosite. Datorită caracteristicilor sale speciale, RP a făcut ca producerea de piese complexe să fie fezabilă. În plus, simplitatea planificării procesului a demonstrat potenţialul acestei metode pentru realizarea unor procese de producţie rapidă (RM – rapid manufacturing). Rezultatul RP – prototipul – reprezintă un model conceptual pentru vizualizarea şi analiza proiectării (figura 3.19). Poate fi folosit de ingineri pentru verificarea formei şi pentru a realiza teste funcţionale limitate.
Figura 3.19 Exemple de prototipuri realizate prin RP
3.2.6.2 Principii de bază ale RP Sistemele de RP permit utilizatorilor să producă prototipuri în mod rapid şi eficient, dar şi cu o precizie ridicată, încă din faza de proiectare. Aceste sisteme creează obiecte direct dintr-un model 3D CAD, permiţând producătorilor atât să reducă dramatic timpul de proiectare şi costurile, cât şi să îmbunătăţească substanţial calitatea produselor prin verificarea schiţelor de
proiectare. Toate sistemele de RP au în comun faptul că realizează prototipuri prin adăugare de noi straturi de material folosind informaţii din modelul CAD. Acest model CAD trebuie să fie realizat într-un standard industrial de RP (format .STL). În acest format, modelele solide în CAD sunt transformate în modele de suprafeţe ce conţin un număr mare de triunghiuri. Apoi, modelul în format .STL poate fi “tăiat” în straturi de dimensiuni specificate de operatorul uman. Multe din maşinile comerciale de RP pot realiza o simulare pentru detectarea erorilor de transformare a modelelor CAD convenţionale în format STL. Simultan se poate estima de asemenea timpul necesar construirii modelului solid. Bazându-se pe această informaţie 2½ D, piesele pot fi astfel construite prin stratificare, scanare sau umplere cu material a acestor secţiuni în ordine corespunzătoare. Rezultatul acestui principiu de lucru este creearea unor modele solide cu suprafeţe în formă de “scară”, caracteristică comună tuturor proceselor de RP. Aceasta are un efect negativ asupra acurateţii de producţie şi necesită alte prelucrări ulterioare. Efectul de “scară” este combătut prin diferite metode, ca de exemplu modificarea strategiei de generare a straturilor, sau reducerea grosimii acestora folosind un mecanism avansat de aplicare a materialelor şi folosind materiale cu proprietăţi complexe. Materialele brute implicate în general în procesele de RP includ răşini, pulberi, filamente termoplastice, ceară, celuloză, hârtie etc. În ultimii ani, tehnologia RP s-a dezvoltat în mod continuu şi exponenţial devenind astfel deja o ramură importantă în industrie.
3.2.6.3. Avantajele şi dezavantajele RP Avantajele acestei tehnologii sunt evidente: - dezvoltarea de modele fizice poate fi realizată într-un timp semnificativ mai mic decât folosind tehnologiile convenţionale; - transferul foarte uşor de la un model CAD la o piesă reală; - nu necesită investiţii adiţionale pentru scule specifice; - complexitatea piesei este independentă de costul acesteia; - asigură o flexibilitate crescută a proceselor de producţie. Unul dintre principalele dezavantaje ale acestor sisteme de RP este acela al investiţiei primare. Toate aceste maşini au costuri foarte ridicate situate la un nivel mediu de 350.000-500.000 USD pentru un volum de lucru de 0.5x0.5x0.5m. Celelalte dezavantaje provin din limitările tehnice ale sistemelor şi tehnicilor existente pe piaţă: - asigură creerea de prototipuri de volum mic; - gama de materiale folosite pentru realizarea prototipurilor nu este foarte mare;
- este un proces lent în cazul procesării de piese de volume medii până la mari
(injecţia în forme este de 100 de ori mai rapidă decât RP); - acurateţe scazută – este dificilă menţinerea unei acurateţi de ± 0.1 mm ; - costul ridicat al materialelor (răşinile pentru stereolitografie costau în jur de 300 USD/kg).
3.2.6.4 Implicaţiile RP Implicaţiile RP au un număr mare de efecte în diferite stadii ale ciclului de producţie, ca proiectarea, alegerea materialelor, producţia propriu-zisă, vânzările etc. Din punct de vedere al proiectării, RP aduce noi oportunităţi privind: - reducerea numărului de părţi componente, ceea ce conduce la un proces de asamblare mult mai uşor; - formele geometrice sunt suprapuse în schiţe; - liniile geometrice sunt neîntrerupte. În prezent, materialele folosite în RP sunt limitate la un număr foarte mic. Unul dintre principalele potenţiale de cercetare în acest domeniu este acel al lărgirii gamei de materiale prin folosirea unor materiale compozite, prin controlarea porozităţii acestora etc. Implicaţiile pe care RP le poate aduce în procesul de producţie propriu-zis sunt foarte importante: - asigurarea unui proces de producţie cu adevarat flexibil – se poate schimba geometria produselor fără a fi afectată eficienţa proceselor; - nu necesită nici un fel de scule specializate, implicând astfel timp de producţie şi investiţie de capital scăzute; - asigură o planificare mai simplă a producţiei – nu e nevoie de scule, de aprovizionare, iar timpii necesari prelucrărilor sunt calculaţi chiar de către sistem. Vânzările unei companii care foloseşte RP vor fi influenţate eficient prin producerea unor piese mai ieftine într-un timp mai scurt decât în cazul folosirii unor tehnologii tradiţionale. De asemenea clienţii se pot implica foarte mult în procesul de proiectare. Datorită numărului mare de tehnici şi sisteme comerciale de RP existente pe piaţă, în urmatoarele paragrafe se vor prezenta foarte pe scurt câteva metode şi tipuri de maşini folosite pentru aceasta.
3.2.6.5 Tehnici de RP a) SLS – Selective Laser Sintering. Această metodă a fost realizată de Carl Deckard şi Joe Beaman (University of Texas, Austin) în anul 1986 (vezi figura 3.20). Munca acestora a
fost comercializată mai târziu de DTM Corporation care deţine patentele pentru această tehnică de RP. S
C a m i n c h
R
o
i s t e m d s c a n a r e
e L a s e r
e r a i s a
l a P
S
i s t e m e l i v r a r e p u l b e r e
l a t f o
O
r m
b i e c t
C i l i n d r u c o n s t r u
P
i s t o n d e l i v r a r e p u l b e r e
P
i s t o
a
l d e i r e
n
Figura 3.20 Schema generală SLS
Procesul începe prin depozitarea unui strat subţire de pulbere pe o platformă. Un laser cu CO2 controlat de calculator scanează selectiv secţiunile prin obiect şi este proiectat pe platforma astfel pregătită cu pulbere. Pulberea încălzită va fi astfel fuzionată cu alte particule formând o masă solidă. Intensitatea fasciculului laser este modulată pentru a topi pulberea numai în ariile definite de geometria de proiectare a obiectului. Camera de fabricaţie este închisă ermetic şi menţinută la o temperatură mai joasă decât punctul de topire al pulberii folosite. După terminarea scanării întregii secţiuni, platforma va fi apoi coborâtă în concordanţă cu grosimea specificată a stratului. Apoi, un strat adiţional de pulbere este împrăştiat deasupra stratului precedent. Noul strat va fuziona cu stratul precedent. Straturi succesive de pulbere sunt depozitate unul peste celălalt şi astfel, procesul este repetat până când prototipul este gata. Există o gamă largă de materiale brute disponibile pentru acest proces, ca de exemplu materialele termoplastice (poliamida, policarbonaţii), nisipul, elastomerii, ceramicile şi pulberile metalice. b) EOS. Acest proces de RP este similar cu cel al firmei DTM şi este realizat de compania germană EOS GmbH. Pincipala diferenţă dintre EOS şi DTM este dispozitivul de răspândire a pulberii. DTM foloseşte un mecanism cu role pentru a înprăştia stratul de pulbere în mod egal. Deoarece rezervorul cu pulbere este situat într-o parte a platformei şi partea cealaltă este folosită pentru colectarea materialului redundant, rolele trebuie să traverseze platforma de două ori. În contrast, în sistemele EOS, materialul este pus într-un container cu faţa în jos, astfel că
acesta traversează doar o singură dată platforma pe care se depozitează stratul de pulbere. Acurateţea pieselor produse depinde în principal de dimensiunile particulelor de pulbere şi de raza fasciculului laser. Cu toate că prototipurile realizate prin SLS au o consistenţă mecanică satisfăcătoare, în unele cazuri, suprafaţa rezultată a pieselor nu indeplineşte toate aşteptările şi necesită prelucrări ulterioare. O comparaţie între caracteristicile a celor două sisteme de RP este prezentată în tabelul 3.4. Tabelul 3.4. Comparaţie dintre cele două sisteme RP
DTM EOS M250 Sinterstation 2500 Aplicaţii Diverse Prototipuri tehnice prototipuri Tipul de laser CO2 CO2 Putere laser 250 W Min. 200 W Diametru fascicolului 0.4 mm 0.45 mm Viteza de scanare Până la 3 m/s Sistemul de pulbere 50% otel + 50% Amestec de oţel şi bronz pulberi metalice cu punct de topire scăzut Livrarea pulberii role Rezervor cu lamă Volumul maxim 250mm x250 mm x185 mm Grosimea minimă a 0.05-1 mm straturilor
c) SLA – Stereolithography 3D Systems. Stereolitografia (SLA) se bazează pe folosirea unor polimeri fotoreactivi, de obicei unii care reacţionează la lumina ultravioletă, sau laser cu lungime de undă scurtă. Prin absorbirea de suficientă energie a radiaţiilor, răşinile se solidifică (are loc procesul de polimerizare). De aceea, prin luminarea selectivă a unei suprafeţe cu asemenea polimeri, se poate forma un strat al modelului. Pentru a realiza stratul următor, obiectul este înmuiat într-o cuvă cu polimeri. Paşii de construcţie se repetă până când piesa este gata. Apoi, excesul de răşină ce ramâne pe suprafeţele acesteia este spălat şi piesa este plasată într-o cameră cu lumină ultravioletă pentru procesarea finală a răşinii. Schema generală a unui astfel de sistem se prezintă în figura 3.21. Sistemul de RP prin SLA al companiei 3D Systems este probabil cel mai performant de pe piaţă oferind o rezoluţie cu o grosime a stratului de 0.0254 mm. Unul din principalele dezavantaje ale SLA este impactul asupra mediului de lucru. Nu este plăcut să ai de-a face cu răşina proaspăt polimerizată. Pentru
curăţirea acesteia se folosesc solvenţi care cresc costurile şi temerile ecologiste şi de sănătate S
P m
l a t f o r m o b i l a
C a m i n c h
F
t o p
e L a s
e r
a C
e r a i s a
o
i s t e m d s c a n a r e
o
l i m
u
t i t
O
b
i e c t
C
u
v a
e r
Figura 3.21 Schema generală a SLA pentru 3D Systems
d) SOUP. Sistemul SOUP (Solid Object Ultraviolet Laser Plotting) a fost dezvoltat de Mitsubish Corporation în Japonia şi este comercializat de CMET (Computer Modelling and Engineering Technology). Acest sistem foloseşte o tehnologie similară cu 3D Systems - un laser este folosit pentru construirea de modele întro cuvă de răşini fotopolimerizabile. e) D-MEC. Compania japoneză D-MEC a lansat propriile sisteme de RP cu SLA, numite SCS (Solid Creation Systems). Aceste sisteme folosesc lasere pe bază de HeCd sau ioni de argon cu raza fasciculului ajustabilă. Volumul modelelor care pot fi construite cu aceste sisteme poate ajunge până la 1000 mm x 800 mm x 500 mm. f) Soliform. Sistemul a fost dezvoltat de DuPont Imaging şi comercializat începând cu anul 1989. Patentul aparţine companiei japoneze Teijin Seiki care se ocupă de comercializarea acestuia în Asia, în timp ce compania DuPont se axează acum pe dezvoltarea de răşini fotopolimerice. g) Light Sculpting Inc. Bazată pe SLA, trăsătura distinctivă a acestei maşini este că întăreşte (polimerizează) toate straturile deodată, mărind astfel productivitatea. Sistemul este format dintr-o imprimantă industrială, o unitate de perforare, programe de calculator de creare a secţiunilor şi o sursă de radiaţii. Măştile create de programele de stratificare sunt folosite de o imprimantă care le listează pe folii
transparente. Acestea sunt stocate în ordinea corespunzatoare, iar pe marginea acestora, un pistol depozitează polimer lichid. Sursa de lumină inundă apoi fotopolimerul pentru 2-3 secunde. Imediat cum iradiaţia se opreşte, stratul de polimer se întăreşte şi se detaşează de pe foliile de plastic. h)Solid Ground Curing (SGC). Compania Cubital a dezvoltat o variantă de stereolitografie numită SGC (figura 3.22). S i s t e e e l i m r a s i n n e i n t a A p l i c a t o r d e r a s i n a f o t o p o l i m e r i c
m
d
d M d
S i s e l e c t r d e g m a
C e
e l u l a e x p u
n
e
i n
a r e
a
A
p
l i c a t o c e a r a
r
L a s e r
r i t a
a
P l a c a r a c i r e
C a p t a i e r e
r e
a s c a f o t o e s t i c l a
t e o f e n s c
m o t o g r a f i c e r a r e a
O
b
i e c t
Figura 3.22 Schema generală a procesului SGC
Acest proces constă în următorii paşi: - un calculator analizează un fişier CAD şi secţionează obiectul respectiv în straturi subţiri de grosime specificată; - imaginea stratului curent este “tipărită” pe o sticlă foto (mască) folosind un proces electrostatic similar cu tipărirea laser (partea stratului care reprezintă materialul solid este lăsată transparentă); - un strat subţire de fotopolimer este împrăştiat în mod egal peste suprafaţa de lucru; - o lumină ultravioletă este proiectată prin mască peste noul strat de polimer lichid; - răşina expusă, corespunzatoare părţii transparente a măştii polimerizează şi se întăreşte; - răşina neafectată, care este încă în stare lichidă este aspirată înapoi în rezervor; - ceara lichidă este împrăştiată peste suprafaţa de lucru, umplând cavităţile ocupate mai înainte de polimerul lichid neântărit; - o placă de răcire întăreşte ceara. În acest moment întregul strat (ceara şi polimerul) este solid; - stratul este turnat până la grosimea dorită;
- procesul se repetaă pentru următorul strat, fiecare strat aderând la cel anterior, până când obiectul este terminat; - ceara este îndepărtată prin topire sau spălare şi prototipul este gata. Materialele folosite în acest proces sunt răşina polimerică, ceară şi toner. Prin această metodă, se pot realiza modele solide de 10-15 ori mai rapid decât cu alte metode de RP. i) Laminated Manufacturing (LM). Principiul acestei metode constă în îmbinarea secvenţială a foliilor de material (ca de exemplu hârtie, plastic sau materiale compozite) una peste cealaltă. Există trei tehnologii diferite în funţtie de metoda aplicată pentru tăierea contururilor şi funcţie de materialele folosite: - Laminated-Object Manufacturing (LOM) – Helisys. Maşina LOM, comercializată de firma Helisys generează o piesă prin laminare şi tăiere cu laser a materialelor sub formă de folii ( figura 3.23). Foliile sunt laminate într-un bloc solid cu ajutorul unei îmbracăminte termice adezive. Procesul începe cu un model 3D care va fi tăiat în secţiuni 2D. Grosimea acestor secţiuni trebuie să coincidă cu grosimea materialului folosit la laminarea prototipului. O rolă încălzită se mişcă de-a lungul suprafeţei foliei, îmbinând-o cu restul straturilor. Un fascicul de laser cu CO 2 taie profilul secţiunii în folia curentă, dar excesul de material nu este îndepărtat, având rol de susţinere a celorlalte straturi. Procesul se repetă apoi pentru toate straturile până când piesa este gata. Excesul de material se îndepărtează şi piesa este scoasă la iveală. - KIRA. Corporaţia japoneză Kira foloseşte o tehnologie de laminare cu hârtie pentru a realiza modele 3D. Spre deosebire de sistemul Helysis, în locul unui fascicul laser care taie conturul unui strat, tonerul este presărat pe contur, aşa cum este indicat de modelul CAD. Tonerul este topit la 1750C şi folia respectivă (hârtia) este îmbinată cu stiva de hârtie de dedesubt. Apoi, un cuţit controlat de calculator care lucrează în acelaşi mod ca un cutter-plotter taie conturul stratului respectiv, lăsând însă materialul în exces pentru suportul straturilor rămase de lipit. - SDC JP 5 System. Acest sistem a fost realizat de Schroff Development Corporation. Straturile tăiate în modelul 3D sunt numerotate şi tipărite. Aceste straturi sunt apoi tăiate dintr-un material adeziv şi asamblate manual . Modelul astfel terminat poate fi învelit într-un material solid pentru a-i asigura o duritate ridicată. Această metodă, este posibil cea mai ieftină şi se foloseşte de obicei ca un mijloc educaţional.
L a s e r O m
R o l a i n c a l z i t a
g o
l i n d a b i l a
O
L a s e r
b i e c t C a m i n c h
R i n
e r a i s a
o l a d e R o l a c a r c a d r ee i n c a r c a r e h i r t i e h i r t i a n e f o l o s i t a
Figura 3.23 Metoda LOM
j) Printare 3D (3DP – 3D printing). 3DP este un proces de RP dezvoltat la MIT de prof. Emmanuel Sachs şi Michael Cima. În această metodă, un cap de imprimantă cu jet este folosit pentru injectarea unei substanţe de îmbinare într-o pulbere metalică corespunzator modelului CAD (figura 3.24). R
e z e l i c h i a d e z
C a p c u j e t c e r n e a l a
R
o
l a
P l a t f o r m a f a b r i c a r e
O
b i e c t
S i s t e m l i v r a r e p u l b e r e C i l i n d r u f a b r ic a r
P i s t o n l i v r a r e p u l b e r e
P i s t o n f a b r i c a r e
Figura 3.24 Principiul metodei 3DP
Ciclul de construire începe prin împrăştierea unui strat de pulbere peste o platformă. Un cap de printare traversează platforma şi depozitează lichidul de îmbinare corespunzator stratului curent. Platforma este apoi coborâtă şi un nou strat de substanţă de îmbinare este depozitată peste primul strat. Procesul se repetă până când întregul volum al obiectului este gata. În prezent, piese metalice şi din ceramică pot fi construite prin 3DP. Materialele lichide de construcţie şi suport al obiectului sunt păstrate întrun rezervor, la temperaturi corespunzătoare. Lichidele sunt livrate capetelor cu jet prin tuburi izolate din punct de vedere termic. Capetele cu jet depun mici picături de material în timp ce sunt mutate dintr-o parte în cealaltă, în funcţie de geometria stratului curent. Capetele sunt controlate în aşa fel încât picăturile de material sunt depozitate numai unde este necesar. Aceste picături se solidifică în mod rapid. După ce un întreg strat este solidificat, un cap de tăiere asigură grosimea uniformă a acestuia. Particulele în exces sunt aspirate şi păstrate întrun filtru. Operaţia capetelor cu jet este verificată strat cu strat printr-un sistem optic de detectare a erorilor. Dacă totul este în regulă, platforma pe care se construieşte obiectul este coborâtă şi construcţia următorului strat poate începe. Odată obiectul construit, materialul de suport(ceara) este fie topită, fie spălată. Această metodă este capabilă de a realiza prototipuri de calitate ridicată, dar cu o viteză redusă. De aceea, există un echilibru între timpul de fabricaţie şi calitatea pieselor. Prin căutarea unor părţi componente similare în bazele de date, orarii de muncă pot fi create prin accesarea altor orarii standard de muncă care conţin practic aceleaşi operaţii de bază, trebuind doar să fie uşor modificate. Orarii de bază tipice pentru diverse părţi componente pot de asemenea să fie folosite ca puncte de plecare pentru crearea unui nou program de lucru. Pentru alegerea materialelor necesare, se face acces la cataloagele de materiale care conţin proprietăţile fizice ale acestora (de obicei stocate electronic în baze de date). Alegerea maşinii se face folosind referinţele unui grup de maşini şi a sculelor de prelucrare pe care acestea le deţin. Programele de lucru sunt făcute prin planificarea proceselor. Aceasta este de obicei centralizată la nivelul companiei/fabricii. Uneori, în cazul unor grupuri de companii, planificarea se face la nivel central pentru mai mult de o fabrică. k) Ballistic Particle Manufacturing (BPM). Figura 3.25 prezintă această metodă, aşa cum a fost implementată de Sanders Prototypes.
R C S X
i s t e m - Y
e z e i n c a d e m o b i e m a t s u p
a p e t e c u j e t
D
S
i s t e m a s p i r a r e
o
r v l z i a t c t e r i o r
e t e c t p t i c
H
i r t i e c o n t r o
C a p t a i e r e
S d O
b
i e c t
Figura 3.25 Schema generală BPM
i s t e t e c e r o r
l) Fused Deposition Modelling (FDM). FDM presupune aşezarea de straturi prin extrudare în aşa fel încât noile straturi să fuzioneze cu straturile anterioare înainte de solidificare (figura 3.26). FDM este reprezentată de Stratasys, Minneapolis, Minnesota. Maşina FDM se aeamănă cu un plotter, cu deosebirea că în loc de cerneală, acest sistem depune plastic sau ceară încălzită, construind astfel un model prin laminări succesive. Un filament de 0.05 inch de material termoplastic este introdus întrun pistol încălzit la o temperatură mai mare decât temperatura de topire al acestuia. Materialul se solidifică imediat ce este depus, aderând la materialul adiacent şi astfel formând piesa respectivă. Sistemul dispune de două tipuri de pistoluri încălzite: unul pentru materialul necesar realizării obiectului şi altul pentru materialul necesar suportului acestuia din urmă. Odată piesa terminată, cele două materiale sunt uşor de separat. Cu acestă metodă este posibilă de asemenea construirea unor modele din mai multe materiale.
R S i s t e m X - Y - Z
P i s t o l e x t r u z i u
O
C
b
i e c t
u p
t o r
n
e z e l i c h a d e
B o b i n p e n t r u f i l a m e n d e p l a s
e
P
l a t f o
r m
Figura 3.26 Schema generală FDM
m) Shape Deposition Manufacturing (SDM). SDM este un proces de construire stratificată ce implică o combinare iteractivă de adăugare sau îndepărtare de material. Piesele sunt construite dintrun material de “sacrificiu” care încorsetează fiecare strat în scopul realizării unei platforme suport pentru straturile următoare sau pentru caracteristicile geometrice în consolă. Spre deosebire de toate celelalte tehnici de RP care descompun modelul în straturi subţiri 2½ D, SDM reţine reprezentarea 3D a piesei în aşa fel încât aceasta este construită fără caracteristica de “scară”. 3.2.7.2 Programul de lucru pentru maşini cu CN Unităţile de producţie controlate de calculator sunt maşinile-unelte în care operaţiile necesare producţiei sunt traduse în instrucţiuni de program calculator. Spre deosebire de maşinile convenţionale de producţie, care sunt controlate de operatori umani pe baza informaţiilor existente în documentele de producţie (programul de lucru şi schiţele de proiectare), într-o maşină cu CN aceste funcţii sunt realizate de programe de calculator. Deci, programele de calculator preiau funcţiile de colectare informaţii despre programul de lucru şi schiţele de proiectare şi le transformă în măsuri concrete de control. De aceea, un program CN poate fi văzut ca un program de lucru detaliat, care depăşeşte graniţa colectării şi stocării datelor pentru a încorpora instrucţiunile funcţionale (de prelucrare). Baza de date folosită pentru programarea maşinilor cu CN este similară cu cea a planificării manuale a producţiei. Informaţiile de bază necesare constau în date geometrice şi tehnologice. Un exemplu de program de CN este prezentat în tabelul 3.5 .
Tabelul 3.5. Un exemplu de program de CN. PARTNO/D-AXLE MACHIN/PP1 Definiţii MACHIN/ZEISIG generale MACHDT/30.120.1.3.5.3000.0.8.20 CONTUR/BLANCO BEGIN 0.0 YLARGE.PLAN.0 Descrierea materialelor RGT/DIA.100 brute RGT/PLAN.330 RGT/DIA.0 TERMCO SURFIN/FIN CONTUR/PARTCO L1=LINE/50.25.90.30 Descrierea părţilor MO.M1.BEGIN/20.0.YLARGE.PLAN.20.B componente EVEL.3.ROUGH RGT/DIA.40.ROUND.2 LFT/PLAN.50 RGT/L1 …………… M3.RGT/PLAN.310.ROUGH M4.RGT/DIA.0 TERMCO PART/MATERL.203 Definiţii tehnologice CSRAT/60 CLDIST/2 PLANE=TURN/SO.CROSS.TOOL.100.1.S ETANG.180.ROUGH SCHL1=CONT/SO.TOOL.200.2.SETANG. 110.FIN.OSETNO.7 CHUCK/11.50.200.300.104.50 CLAMP/50 COOLNT/ON Instrucţiuni de control WORK/PLANE CUTLOC/BEHIND CUT/M3.TO.M4 CUT/M1.TO.M2 WORK/NOMORE FIN
3.2.8 Controlul Calităţii Asistat de Calculator (CAQ) Controlul calităţii se realizează în mod tradiţional folosind metode manuale de inspecţie şi proceduri statistice de prelevare probe. Inspecţia manuală este în general o procedură mare consumatoare de timp care presupune o muncă precisă, dar şi monotonă. Adesea presupune şi mutarea
pieselor din locul de producţie în locuri speciale de inspecţie, conducând la întârzieri care pot produce blocaje în procesul de producţie. Implicit, în procesul statistic de prelevare probe, se asumă riscul ca unele produse cu defecţiuni să scape inspecţiei. De aceea, controlul statistic al calităţii tinde să garanteze calitatea produselor cu o marjă de eroare, sau procentaj de piese defecte. Există şi un alt aspect negativ al controlului tradiţional al calităţii. Acest proces se face după ce piesele au fost deja produse, ceea ce presupune costuri de producţie ridicate. De aceea, există câteva motive de ordin economic, social şi tehnologic pentru modernizarea procesului de control al calităţii. Factorul economic include costurile mari ale procesului de inspecţie şi întârzierile pe care acesta le poate produce în procesul de producţie. Factorul social include cererea tot mai mare a clienţilor de produse “perfecte”, ca şi regulamentele şi standardele impuse de guvernul unei ţări pentru a asigura protecţia consumatorilor. Tot aici se poate include tendinţa inspectorilor umani de a fi subiectivi şi de aceea procesele de inspecţie pot fi compromise. Factorul tehnologic cuprinde imensele progrese care se înregistrează în automatizarea controlului calităţii, principalele realizări fiind: dezvoltarea aplicabilităţii microprocesoarelor şi îmbunătăţirile aduse tehnicilor de senzori fără contact. Toţi aceşti factori împing controlul calităţii spre ceea ce este numit controlul calităţii asistat de calculator (CAQ – computer aided quality control ). Alte acronime care au fost folosite pentru descrierea acestui proces sunt inspecţie asistată de calculator (CAI- computer aided inspection) şi testare asistată de calculator (CAT – computer aided testing). Obiectivele CAQ sunt : îmbunatăţirea calităţii produselor; creşterea productivităţii în procesele de inspecţie; creşterea productivităţii şi reducerea timpilor de producţie. Strategia abordată pentru îndeplinirea acestor obiective este automatizarea inspecţiei prin folosirea calculatoarelor în combinaţie cu tehnologia avansată de senzori. Acolo unde este posibil şi fezabil din punct de vedere economic, inspecţia va fi făcută pe 100% din lot şi nu prin prelevare de probe ca în inspecţiile manuale. Implicaţiile folosirii CAQ sunt importante. Schimbări radicale apar în felul în care controlul calităţii este implementat în interiorul unei companii/fabrici. Următoarea listă explică pe scurt câteva din efectele importante ale folosirii CAQ. - cu CAI şi CAT inspecţia şi testarea sunt realizate pentru o rată de 100% din întregul lot; - procesul de inspecţie va fi integrat în procesul de producţie, şi nu necesită mutarea pieselor pe bancuri speciale sau alte încăperi pentru inspecţie;
- utilizarea senzorilor fără contact este facilitată de implementarea CAQ. Cu
dispozitive de inspecţie cu contact, piesa trebuie să fie oprită şi repoziţinată în aşa fel încât să permită dispozitivului să fie folosit. Toate aceste procese costă timp, ceea ce implică costuri sporite de producţie. Cu dispozitive de inspecţie fără contact, de multe ori piesele pot fi testate “din mers”. Aceste dispozitive, folosind viteză mare de calcul a calculatorului pot termina procesul de inspecţie într-o fracţiune de secundă. Aceasta este o rată cu care în mod sigur aproape toate operaţiile de producţie sunt satisfăcute; - folosirea senzorilor fără contact în timpul producţiei poate fi realizată utilizând calculatorul. Aceste sisteme sunt capabile să facă măsurători în procesul de producţie şi să facă modificări în acesta în mod corespunzător (folosind datele colectate de senzori); - în controlul tradiţional al calităţii se acceptă şi ca un procent mai mic de 100% din lotul de produse să fie corespunzator din punct de vedere calitativ. Cu ajutorul CAQ, nu este necesar ca fabricile/companiile să se mulţumească pentru o calitate mai mică decât perfecţiunea; - în afară de CAT şi CAI, calculatorul va fi folosit şi în alte aplicaţii al controlului calităţii sau asigurării calităţii; - există implicaţii de personal când vorbim de CAQ. Activitatea de inspecţie manuală este redusă, de aceea mai puţin personal este necesar. Este adevărat însă că personalul implicat în CAQ trebuie să aibă o calificare înaltă pentru a putea opera pe echipamentele complexe de inspecţie şi testare. În continuare se vor prezenta pe scurt câteva din metodele de inspecţie moderne, atât cu contact cât şi fără. Metodele cu contact implică în general folosirea unor maşini de măsurare a coordonatelor (CMM). Multe din aceste maşini sunt în prezent controlate de calculator sau CN. Metodele fără contact sunt împărţite în două categorii: optice şi non-optice. În tabelul 3.6 se prezintă o serie de tehnologii pentru inspecţii bazate pe senzori. Tabelul 3.6. Tipuri de instalaţii cu contact şi fără contact INSPECŢIE CU Inspecţie fără contact CONTACT Tehnici Optice CMM (maşină de 1. Fascicul laser de testare măsurare coordonate) 2. Fotometrie 3. Vedere computerizată Tehnici Non-optice 1. Tehnici bazate pe câmp electric a. Capacitate Sonde mecanice b. Inductanţă 2. Tehnici bazate pe radiaţii 3. Ultrasunete
3.2.8.1 Metode de inspecţie cu contact Maşina de măsurat în coordonate (CMM) este cel mai reprezentativ exemplu pentru echipamentele de inspecţie cu contact (figura 3.27). O CMM este formată dintr-o masă care reţine piesa în poziţie fixă şi un capăt mobil care conţine sonda de măsurare. Sonda poate fi mişcată în trei direcţii, corespunzator celor trei axe de coordonate. În timpul operării, sonda este adusă în contact cu suprafaţa piesei de măsurat şi cele trei coordonate ale punctului respectiv sunt indicate cu o acurateţe foarte mare.
Figura 3.27 Maşini de măsurarat în coordonate
În prezent, CMM-urile sunt controlate de calculator. Operarea maşinii este asemanătoare cu o maşină-unealtă cu CN. Programul şi coordonatele piesei pot fi stocate într-un calculator central, în aceeaşi manieră ca în cazul unor maşini cu CN direct. Odată cu avansul tehnologic fără precedent din ultimele decenii, aceste tipuri de maşini (CMM controlate de calculator) pot realiza şi aliniamentul automat al piesei pe masa de lucru, transformarea automată din coordonate polare în coordonate carteziene etc. Economia de timp realizată prin folosirea CMM-urilor este semnificativă. În general, faţă de timpul necesar pentru o inspecţie manuală, timpul de care are nevoie o CMM este la nivelul a 5-10% din primul. Un alt avantaj al folosirii CMM-urilor este acela al consistenţei. Cu toate aceste avantaje există şi dezavantajul că maşina de măsurare este situată într-o altă încăpere şi de aceea piesele de măsurat trebuie mutate pe masa de lucru a maşinii, consumând timp auxiliar.
3.2.8.2 Metodele de inspecţie fără contact. Metodele de inspecţie fără contact sunt: Metodele optice. Inspecţia fără contact este o alternativă serioasă la metodele prezentate anterior. Dintre avantajele acestei tehnici, se pot menţiona : - elimină necesitatea mutării pieselor; - metodele sunt mai rapide decât cele cu contact; - în lipsa contactului elimină oboseala mecanică a sondei; - elimină posibilitatea deteriorării suprafeţei unei piese care ar rezulta în cazul unei inspecţii cu contact. Sistemele optice sunt tipul predominant de metode de inspecţie fără contact. Aceste sisteme se bazează în general pe folosirea tehnologiilor microelectronice şi procesarea pe calculator a semnalelor primite de la senzori. Există o gamă largă de tehnici optice de inspecţie fără contact. Dintre acestea se vor prezenta pe scurt: vederea computerizată, scanarea cu fascicul laser şi fotometria. Toate aceste metode folosesc un tip de senzor de lumină sau alt material fotosensibil (de exemplu celule fotoelectrice, fotodiode sau hârtie fotografică etc.). Obiectivul metodei de vedere computerizată este acela de a atribui sistemului acelaşi simţ vizual ca la o persoană umană. Este un domeniu încă neexploatat pe deplin şi care deţine cheia unor îmbunătăţiri cruciale pentru productivitatea procesului de inspecţie a calităţii produsului rezultat. În general, un astfel de sistem conţine o cameră video şi un calculator digital legate printr-o interfaţă specifică. Calculatorul digital preia semnalul analog de la camera video, îl digitizează şi apoi analizează imaginea rezultantă cu informaţii stocate în propria memorie. În prezent, la ora apariţiei acestei cărţi exista o serie de limitări ale acestei tehnologii. O primă limitare este împărţirea imaginilor în elemente de imagine de bază. Multe sisteme, în prezent, împart imaginile în 256x256 or 512x512 puncte sau pixeli, număr insuficient pentru a reprezenta o rezoluţie ridicată a imaginilor. O a doua limitare este aceea de recunoaştere a obiectelor din câmpul de vedere al camerei video. De exemplu, numărul de obiecte care poate fi recunoscut de un sistem este direct proporţional cu capacitatea de stocare a calculatorului (sistemul nu poate recunoaşte obiecte pentru care nu are informaţii stocate în baza sa de date). Un alt exemplu este acela când două obiecte se obturează parţial unul pe celălalt. Tehnicile actuale nu permit recunoaşterea ambelor obiecte cu o performanţă sporită. Aceste limitări sunt în principal datorate vitezei de calcul şi capacităţii de stocare a informaţiilor calculatoarelor. În ritmul actual de dezvoltare a echipamentelor electronice şi a
programelor de calculator multe din aceste limitări vor dispărea în curând (dacă nu au disparut în timpul cât această carte a fost tipărită). Câteva exemple de aplicaţii ale acestor metode pentru inspecţie sunt enumerate în continuare: inspecţia etichetelor pe sticle şi cutii, recunoaşterea automată a caracterelor (OCR – optical character recognition), inspecţie grosieră a formei produselor, inspecţie pentru absenţa sau prezenţa unor părţi componente ale unui produs sau piese, detectarea unor crăpături şi alte imperfecţiuni în suprafaţa pieselor etc. Sistemele automate cu vedere computerizată sunt de multe ori parte integrantă a liniei de producţie. Pe masură ce imaginea este analizată, sistemul determină dacă piesa este bună sau necesită a fi prelucrată din nou. Dacă este bună, piesa continuă procesul de producţie, dacă nu este trimisă într-o locaţie separată. Dispozitive cu scanare cu fascicol laser. Nu toate dispozitivele care folosesc fascicule folosesc ca sursă de lumină laserul. Există dispozitive care folosesc lumina albă, sau lumina fluorescentă. Avantajul laserului este însă acela că poate fi proiectat la distanţe mari fără a prezenta o pierdere însemnată în energie sau intensitate. Un exemplu de folosire al acestuia este măsurarea unei piese. În acest caz, sistemul se bazează pe măsurarea timpului şi nu a intensităţii luminii. Schema unui astfel de sistem este prezentată în figura 3.28.
Figura 3.28 Schema generală a unui sistem de inspecţie cu fascicol laser
Fascicolul laser emis de sursă este reflectat de o oglindă pivotantă astfel încât să scaneze obiectul de măsurat. Detectorul optic este situat în punctul focal al sistemului de lentile şi detectează înteruperea fasciculului în momentul când acesta este blocat de obiect. Timpul care corespunde înteruperii luminii laser ( ∆ t=t 2-t 1 ) este măsurat şi apoi transformat în dimensiuni specifice pentru acel obiect.
Fotometria. Fotometria este o metodă a cărei denumire a fost împrumutată din domeniul recunoaşterii aeriene şi a alcătuirii de hărţi geologice. Aceasta presupune extragerea unor informaţii tri-dimensionale dintr-o pereche de fotografii ale obiectului luate la diverse unghiuri. Dezavantajul acestei metode este nevoia de fotografii, iar acestea sunt nişte proceduri mari consumatoare de timp. Principiul unui astfel de sistem este prezentat în figura 3.29. O
b m
i e c t u l d a s u r a t
C
p
a
m
e r a
e
1
C
a
m
e r a
2
C a l c u l a t o r e n t r u p r o c e s a r e i m a g i n i
Figura 3.29 Sistem de măsură bazat pe fotometrie
Metode non-optice. Se vor descrie trei tipuri generale reprezentative de tehnici non-optice de inspecţie fără contact: Tehnicile bazate pe câmpuri electrice. Diverse tipuri de câmp electric pot fi folosite în aceste metode (capacitate, inductanţă). Un traductor tip capacitate poate fi folosit pentru măsurarea distanţei dintre sondă şi obiectul de măsurat. Această tehnică este bazată pe plasarea obiectului de măsurat în interiorul unui condensator şi prin măsurarea capacităţii variabile a acestuia se pot determina dimensiunile obiectului. Un traductor de tip inductanţă presupune plasarea obiectului într-un câmp magnetic produse de o bobina traversată de curent alternativ. Rezultatul este, că şi curenţii de intensitate mică (curenţii eddy) sunt generaţi prin obiect. Aceşti curenţi creează propriile câmpuri magnetice care influenţează câmpul magnetic primar. Aceste interacţiuni afectează inductanţa bobinei, inductanţă care poate fi măsurată şi analizată pentru determinarea anumitor caracteristici ale obiectului. Tehnicile bazate pe radiaţii. Radiaţiile X sunt folosite în procesele de inspecţii ale metalelor şi ale pieselor confecţionate din diferite materiale. Energia radiaţiilor absorbită de un material poate fi folosită atât pentru a-i măsura grosimea, cât şi pentru a-i determina alte caracteristici de calitate. Tehnicile cu raze X sunt folosite pentru inspectarea calităţii sudurilor sau a ţevilor de oţel şi aluminiu. În acest caz, radiaţia este folosită pentru a detecta defecte şi goluri în sudură sau material.
Tehnicile bazate pe ultrasunete. Ultrasunetele în inspecţii presupun folosirea undelor sonore de înaltă frecvenţă (peste 20000 Hz) pentru a indica proprietăţile unor produse. Principala aplicaţie a ultrasunetelor în inspecţie este testarea nedistructivă a materialelor. Ultrasunetele pot fi folosite şi pentru determinarea caracteristicilor dimensionale ale obiectului de inspectat sau măsurat. În timpul procesului de inspecţie, sunetul reflectat de obiect este comparat de un calculator cu alte modele de unde stocate în memoria acestuia, modele care sunt considerate acceptabile din punct de vedere al calităţii. Dacă undele sonore provenite de la obiect diferă în mod semnificativ de cele standard din bazele de date ale sistemului, atunci obiectul este rejectat din punct de vedere calitativ.
3.2.7. Planificarea asistată de calculator (CAP) Planificarea muncii descrie transformarea materialelor sau semifabricatelor din starea acestora brută în starea finisată. Punctul de plecare poate fi un singur material sau, în cazul unor operaţii de asamblare, părţi componente. Orarul muncii conţine secvenţa de operaţii pentru producerea unei părţi, alocarea echipamentelor pentru operaţii, specificarea timpilor standard şi a grupelor de salarii. Bazele planificării muncii sunt specificaţiile tehnice şi geometrice. Specificaţiile geometrice sunt preluate din schiţele produse de departamentul de proiectare. Aceste schiţe pot de asemenea, să conţină şi informaţii tehnice, ca de exemplu proprietăţile materialelor, toleranţele, proprietăţile suprafeţelor părţilor componente etc. În unele cazuri însă, pregătirea informaţiilor tehnice este parte integrantă a procesului de planificare a muncii. Facturile materialelor sunt de asemenea importante pentru documentele de planificare a muncii. CAP trebuie să facă distincţia între planificarea muncii pentru procese convenţionale de producţie, sau pentru procese de producţie comandate de calculator (de exemplu maşini cu CN). În ultimul caz, planificarea muncii va fi înlocuită de programele de CN.
3.2.7.1. Planificarea muncii pentru procese de producţie convenţionale Pentru procesele convenţionale de producţie, un orar al muncii este creat aşa cum se poate vedea în figura 3.30 . Împreună cu datele de proiectare, schiţe şi facturi de materiale, este necesar şi accesul la alte surse de informaţii din aria producţiei, aşa cum se poate vedea în figura 3.31.
Figura 3.30 Conţinutul unui program de lucru.
Figura 3.31 Planificarea datelor pentru programul de lucru
3.2.8.3 Testarea asistată de calculator (CAT) Testarea este în general procesul de evaluare a performanţelor funcţionale ale produsului final. Poate fi aplicată şi unor subansamble mari ca motoare şi transmisii de automobile. De asemenea, poate fi aplicată doar unor părţi componente care implică un aspect funcţional care trebuie verificat. CAT este pur şi simplu implementarea unui calculator în procesul de testare. Există mai multe nivele de automatizare care pot fi găsite în CAT. La nivelul cel mai de jos, calculatorul poate fi folosit pentru monitorizarea testelor şi analizarea rezultatelor, dar procedura de testare este efectuată manual de un operator uman. La un nivel mai înalt sunt celulele de testare. Acestea sunt formate dintr-o serie de staţii de testare interconectate între ele printr-un sistem de manevrare a materialelor. O asemenea celulă poartă amprenta unui sistem CIM. Adesea staţiile de testare sunt legate direct la linia de producţie pentru asigurarea fluidităţii procesului de testare. În timpul operării, produsul este transferat de la o staţie la cealaltă, însă fiecare staţie operează independent de celelalte. Dacă produsul trece testul, atunci este trecut imediat la următorul pas de asamblare sau direct la împachetarea finală. În caz că obiectul nu trece testul, acesta se transferă adesea la o staţie de examinare manuală. Calculatorul este util şi în acest caz, putând indica motivul pentru care produsul n-a trecut testul, sau chiar dignosticarea problemei şi oferirea de soluţii viabile pentru reparare. Aceste tipuri de celule CAT sunt implementate în cazul în care produsul de inspectat este complex şi realizat în cantităţi importante. Ca exemple se pot aminti motoare de automobile, de avioane şi circuite integrate electronice.
3.2.8.4 Integrarea CAQ cu CAD/CAM Cu toate că există destule avantaje pentru introducerea CAQ, beneficii adiţionale pot fi obţinute prin integrarea CAQ cu CAD/CAM. S-au menţionat anterior meritele unei baze de date integrate CAD/CAM (pentru ca şi proiectarea şi producţia folosesc aceleaşi informaţii de bază pentru un produs). Departamentul de proiectare crează definiţia produsului pe care departamentul de producţie o foloseşte pentru a realiza planul de producţie. Adăugarea controlului calităţii este importantă pentru sistemul CAD/CAM. Departamentul de control calitate trebuie să folosească aceeaşi bază de date pentru a-şi îndeplini cu succes funcţia (standardele cu care trebuie comparate produsele sunt conţinute în baza de date CAD/CAM). O metodă prin care baza de date poate fi folosită este dezvoltarea de programe CN pentru operarea maşinilor de măsurare în coordonate (CMM). Altă metodă în care o bază de date comună este de folos procesului de control al calităţii este aceea a executării unor schimbări inginereşti asupra produsului.
Aceste schimbări influenţează în mod evident procesele de inspecţie şi testare. Este foarte util ca aceste schimbări să fie înregistrate într-o bază de date comună pentru toate departamentele, inclusiv pentru cel de control calitate. Un alt avantaj al folosirii CAQ într-un sistem CAD/CAM este în procesul de monitorizare al producţiei. Datele generate de procesul de monitorizare sunt foarte utile pentru departamentul de control al calităţii în găsirea cauzelor pentru care calitatea este scăzută într-un lot specific de produse.
3.2.9 Planificarea şi controlul producţiei (PP&C) Acest paragraf prezintă pe scurt folosirea calculatoarelor pentru managementul procesului de producţie. În mod tradiţional, acest management se mai numeşte şi planificarea şi controlul producţiei. Încercări de folosire a calculatoarelor pentru PP&C datează încă din anii 1950 şi 1960. Primele încercări au fost direcţionate pentru automatizarea acelor procese manageriale care în mod tradiţional se făceau manual. Aceste procese manageriale includeau pregătirea de orarii, liste de necesităţi, liste de inventar şi alte asemenea documente. În timpul anilor 1960 şi 1970 câţiva cercetători au realizat potenţialul enorm al folosirii calculatoarelor pentru realizarea de schimbări fundamentale în PP&C. Printre aceştia merită menţionaţi Joseph Orlicky şi Oliver Wight. Planificarea necesităţilor de materiale (MRP – material requirements planning) a fost una dintre primele proceduri în care introducerea calculatoarelor a adus imbunătăţiri substanţiale. În paragrafele următoare se vor prezenta modul în care PP&C a fost realizat în mod tradiţional ca şi dezavantajele care derivă de aici. Apoi se vor prezenta pe scurt modul în care calculatoarele îmbunătăţesc procedurile legate de managementul proceselor de producţie.
3.2.9.1 PP&C tradiţional Planificarea şi controlul tradiţional al producţiei poate fi definit ca un ciclu în care pot fi identificate cel puţin douăsprezece funcţii (figura 3.32). Câteva din aceste funcţii sunt realizate de departamente diferite decât cele de producţie, astfel: - previziunea vâzărilor . Această funcţie se ocupă cu predicţia vânzărilor viitoare ale unei companii. În funcţie de durata de timp pe care încearcă să se facă estimarea există trei tipuri de previziuni: pe termen scurt, mediu şi pe termen lung; - planificarea producţiei. Această funcţie are ca obiectiv stabilirea nivelelor de producţie pentru grupurile operatorii din companie pe o perioada determinată de timp. Este bazată pe previziunea vânzărilor şi este folosită şi pentru controlul inventarului;
- planificarea procesului. Aceasta presupune determinarea operaţiilor necesare realizării unui produs, ca şi ordinea în care acestea trebuie efectuate; - estimarea. În scopul determinării preţului şi a pregătirii programelor de lucru, compania va face estimări ale timpilor şi costurilor de producţie bazate pe informaţiile de la departamentul de aprovizionare şi contabilitate; - stabilirea termenelor de livrare . Această funcţie presupune stabilirea numărului de unităţi care trebuie livrate clienţilor şi termenele limită de expediere a acestora; M
P
r e v i z i u n v â n z ã r i
P
S t a b i l i r e t e r m e n e l i v r a r e
P
P l a n i f i c a r e n e c eţ s i t ã i
p
r o
v i z i o
n
a
u r n i z o r i e x t e r n i
r o
i e c t a
r e
l a n i f i c a r e p r o c e s
E
s t i m
a r e
A l o c şa r e a i o r a r u l r e o p ţe r a i i l o r p e şm a i n i l e - u n e l t e
p
F
i
e
P l a n i f i c a r e p r o ţd u c i e
A
a r k şe t i n g v â n z ã r i
I n s tţ r u e n t r u
P
c o
i u n i p e r a t o r i
r o ţ d u cş i e a s a m b l a r e
E
x p
e
C
d i e r e
l iţ e
C o n t r o l i n v e n t a r
T r a n şs p o r t s t o c a r e
i
C
o
n
t r o
l
i
c a l i t a t e
Figura 3.32 Ciclu de activităţi într-un PP&C tradiţional
- planificarea necesităţii . Bazându-se pe planul şi termenele de producţie, materialele brute sau părţile componente trebuie cumpărate de la furnizori externi. Toate acestea trebuie făcute după un plan care să asigure fluiditatea procesului de producţie. Acesta este planul de necesităţi de materiale; afecteze timpii de producţie.
- aprovizionarea. Compania poate realiza toate subansamblele utilizând propria linie de producţie. În unele cazuri însă, se pot cumpăra subansamble dacă acest lucru este viabil din punct de vedere economic şi calitativ; - alocarea de maşini-unelte. Aceasta implică stabilirea datelor de început a producţiei subansamblelor pe tot parcursul procesului de producţie. Numărul de operaţii care trebuie efectuate de linia de producţie este în general mai mare decât numărul de maşini disponibile. De aceea, va exista o listă de aşteptare pentru fiecare maşină în parte, dar această listă trebuie realizată în aşa fel încât să nu afecteze timpii de producţie. - instrucţiunile pentru operatori . Această funcţie realizează transmiterea de comenzi şi instrucţiuni individuale către operatorii maşinilor-unelte. Aceasta implică planuri de producţie, desene, materiale şi instrucţiuni de prelucrare; - corectarea. Chiar folosind cele mai bune planuri şi termene de producţie, lucrurile pot evolua nu tocmai cum se aşteaptă producătorul. În acest caz, este treaba departamentului de corecţie a producţiei să sugereze modalităţi de corectare a problemelor apărute în fluxul de producţie, în aşa fel încât capacitatea de producţie să fie realizată la timpii şi calitatea stabilite împreună cu clienţii; - controlul calitătii . Departamentul de control al calităţii este responsabil pentru asigurarea nivelului calitativ al produselor; - transportul şi stocarea. Ultimul stadiu al ciclului de producţie este livrarea produselor către client/beneficiar sau stocarea acestora în depozitele fabricii pentru vânzări ulterioare. Există multe probleme care apar în timpul acestui ciclu PP&C tradiţional. Multe din aceste probleme apar din cauza incapacităţii metodelor tradiţionale de a se adapta naturii schimbătoare a proceselor de producţie. Câteva din problemele tipice întâlnite sunt enumerate în continuare: - problemele cu capacitatea de producţie. Producţia este întârziată din cauza lipsei resurselor umane sau a echipamentelor; - planificarea eronată a producţiei. Operaţiile sunt planificate într-o ordine greşită sau cu timpi de terminare insuficienţi, aceasta ducând la fragmentarea producţiei; - controlul ineficient al stocurilor . În timp ce la unele materiale brute, stocurile cresc fără ca acestea să fie absolut necesare producţiei, pentru altele stocurile; scad, făcând imposibilă continuarea producţiei fără o nouă aprovizionare, ceea ce înseamnă întârzieri; - problemele de calitate. Defectele de calitate apar în componentele sau subansamblele produse, ceea ce presupune o reprelucrare a acestora ducând astfel la întârzieri în producţie.
3.2.9.2 Planificarea şi controlul producţiei asitate de calculator Au existat o mare varietate de factori care au influenţat evoluţia unei abordări moderne şi eficiente ale PP&C. Cel mai evident dintre aceşti factori este evoluţia rapidă a calculatoarelor. În plus au existat şi alţi factori la fel de importanţi, ca de exemplu creşterea nivelului de profesionalism în domeniul PP&C. Planificarea producţiei a devenit gradual dintr-o operaţie pe care o realiza un funcţionar într-o profesie recunoscută care necesită un nivel înalt de pregătire academică într-o operaţie simplă pe care o realizează calculatorul. Sisteme, metodologii şi diverse terminologii au fost dezvoltate pentru a face faţă problemelor din acest domeniu. Figura 3.33 reprezintă o diagramă bloc a funcţiilor şi relaţiilor într-un sistem PP&C asistat de calculator. Multe din aceste funcţii sunt identice cu cele dintr-un model tradiţional. De exemplu previziunea costurilor, planificarea producţiei, stabilirea termenelor de producţie, aprovizionarea şi alte funcţii din figură ramân neschimbate. Aceste funcţii sunt realizate cu ajutorul calculatorului, dar în sine rămân relativ neschimbate. Schimbări semnificative au aparut însă în organizarea şi execuţia PP&C prin implementarea unor scheme ca: planificarea necesităţilor de materiale, monitorizarea producţiei şi planificarea capacităţii de producţie. a r k eş t i n g v â n z ã r i
M
C o n t rş o l u l i p l a n i f i c a r e a c o s t u r i l o r
P
r e v i z i u n e v â n z ã r i
P l a n i f i c a r e p r o dţ u c i e
P
r o i e c t a r e
P
S t a b i l i r e t e r m e n e l i v r a r e
p
r o v i z i o
n a r e
F u r n i z o r i e x t e r n i
M
r o dţ u c ş i e a s a m b l a r e
a z a
d
e
d
a t e
P l a n i f i c a r e c a p a c i t a t e p r o dţ u c i e
o n i t o r i z a r e p r o dţ u c i e
P
l a n i f i c a r e p r o c e s
B
P l a n i f i c a r e n e c e ţs i t ã i m a t e r i a l e
A
i
M
a i n
n a g e m e n t u v e n t a r u l u i
T r a n s şp o r t s t o c a r e
i
C
o
C
n t r o
l
c a
l i ţe n
l
i
l i t a t e
Figura 3.33 Ciclul de operaţii într-un sistem PP&C asistat de calculator.
Aceste funcţii noi introduse vor fi descrise foarte pe scurt în continuare: - baza de date. Aceată bază de date cuprinde toate informaţiile necesare fabricării componentelor şi asamblării produsului. Ea include facturile de materiale, listele de asamblare, schiţele de proiectare ale subansamblelor etc. - planificarea necesarului de materiale (MRP). MRP presupune determinarea timpului când materialele brute sau componentele trebuie comandate de la furnizori. Poate de asemenea să schimbe priorităţile de aprovizionare pentru unele materiale, ca răspuns la schimbările din linia de producţie sau a cererii de pe piaţă (flexibilitatea); - planificarea capacităţii de producţie. Aceasta implică determinarea resurselor de muncă şi echipamentele necesare pentru a realiza cerinţele de producţie precum şi nevoile pe termen lung ale companiei/fabricii. Planificarea capacităţii este în general realizată în termeni de muncă şi/sau ore libere pe fiecare maşină- unealtă; - managementului inventarului. Într-un mediu de producţie, managementul inventarului este strâns legat de MRP. Obiectivele acestuia sunt simple – să păstreze o investiţie scăzută în stocuri, dar în acelaşi timp să menţină un serviciu clienţi impecabil; - monitorizarea producţiei. Acest termen se referă la un sistem de monitorizare a stării curente a unui proces de producţie şi realizarea unui raport către managementul companiei despre activitatea din fabrică; - planificarea şi controlul costurilor . Sistemul de planificare şi control al costurilor conţine baza de date pentru determinarea costurilor estimative de producţie. De asemenea conţine şi programe de calculator pentru analiza costurilor în scopul comparării acestora cu preţurile reale de producţie. De asemenea, în funcţie de această comparaţie dintre aceste costuri, programele de calculator pot da răspunsuri în legatură cu proveninţa diferenţelor. Planificarea costurilor răspunde practic la întrebarea : “Care sunt costurile estimative de producţie pentru un anumit produs?”. Controlul costurilor implică răspunsurile la întrebările: “Care sunt costurile reale de producţie?” şi “Care sunt diferenţele dintre preţul estimat şi cel real al unui proces de producţie?”.
3.3. Viitorul CIM/CAD/CAM În ultima decadă, CIM/CAD/AM a dat dovada unei speranţe în privinţa viitorului industriei producătoare, viitor în contrast cu rapoartele recente despre creşterea economică lentă din SUA, Japonia şi Europa. Tehnologia CIM/CAD/CAM a răspuns în mod ferm cerinţelor industriei de grafică interactivă, de roboţi inteligenţi, de tehnici îmbunătăţite de inspecţie etc. În următoarele paragrafe se vor explora câteva din posibilele dezvoltări ale CIM/CAD/CAM din perspectiva relativ subiectivă a autorilor. Majoritatea acestor comentarii sunt bazate pe curentele recente din aceste tehnologii.
Viitorul CAD/CAM este intensificat de avansul tehnologic fără precedent al tehnologiilor de comunicaţii, microprocesoarelor şi al programelor de calculator. Îmbunătăţirea tehnicilor de comunicare va însemna un schimb facil de informaţii între om, maşină şi calculator. Vor putea fi realizate sisteme în care inginerii şi operatorii umani vor avea acces la tehnici computerizate foarte puternice de la un terminal care poate fi la o mare depărtare de un calculator. Acest terminal poate fi de dimensiuni reduse (de exemplu cât un calculator de buzunar), dar va avea posibilitatea comunicării cu calculatorul principal. Există deja producători care au pus această idee în practică. Un alt curent clar care va avea un impact important în tehnologia CIM/CAD/CAM va fi folosirea pe scară largă a microprocesoarelor pentru construcţia unor noi generaţii de maşini-unelte sau roboţi inteligenţi. Folosirea inteligenţei unor sisteme bazate pe microprocesoare va influenţa de asemenea şi procesul de producţie. Folosirea roboţilor inteligenţi, a maşinilor-unelte şi a dispozitivelor de inspecţie, conectate la un calculator principal va genera atât un progres în automatizarea producţiei, cât şi permiterea unei flexibilităţi mărite dispozitivelor de producţie care, în acest fel vor putea face faţă cerinţelor diverse ale pieţii. Costul capacităţii de stocare al calculatoarelor continuă să scadă şi aceasta va avea implicaţii importante în CAD/CAM. Va deveni fezabilă stocarea a zeci sau chiar sute de mii de desene standard, faţă de un număr limitat de caracteristici ale acestora cum este cazul sistemelor din prezent. Într-un viitor cât mai apropiat, calculatorul va deveni el însuşi un dispozitiv de stocare al informaţiei în comparaţie cu momentul actual când se apelează în mod constant la memorii secundare externe. Acestea nu vor dispărea, ci vor avea doar un rol de păstrare a unor copii de siguranţă al datelor. Tehnologia terminalelor grafice se îmbunătăţeşte pe zi ce trece şi aceasta va afecta operaţiile unei companii care ţin de CAD. Deja există terminale grafice de înaltă fidelitate, produse la costuri acceptabile. Avântul terminalelor “plate”, cu cristale lichide care nu emană radiaţii, dar care păstrează o fidelitate crescută a imaginilor vor avea de asemenea un potenţial crescut de folosire în sistemele CIM. Grafica color şi grafica de modelare a solidelor este deja un domeniu folosit în CAD/CAM. Noi imprimante şi plottere color sau alte unităţi de listare a graficii de pe ecranul terminalului grafic pe suporturi externe vor ajuta la creşterea folosirii modelării solidelor şi a graficii în trei dimensiuni. Recunoaşterea de voce şi vederea computerizată vor fi îmbunătăţite în viitorul apropiat. Terminalele de calculator vor fi capabile să recunoască şi să accepte comenzi vocale şi aceasta înseamnă în primul rând economie de timp. De asemenea, vederea computerizată, o tehnologie deosebit de importantă pentru dezvoltarea de noi generaţii de roboţi industriali inteligenţi, va fi utilizată şi în CAD.
