obrmVýrobné systémy majú opodstatnené uplatnenie v súčasnom rýchlo sa meniacom výrobnom prostredí, ktoré sa vyznačuje rozvinutou konkurenciou v globálnom kontexte a progresívnymi zmenami v procesných technológiách a ich štruktúre podľa trhových požiadaviek.

 

 

Takéto systémy nutne vyžadujú rýchlu a vecnú integráciu nových technológií a nových funkcií ako do systémových, tak aj procesných vzťahov.

Načrtnuté trendy a ich podmienky a požiadavky vyžadujú pružný prístup z hľadiska produkcie, umožňujúci budovať:

• operatívne prispôsobenie výrobnej kapacity produkčných systémov požiadavkám trhu, čiže dosiahnutie urýchlene realizovateľných nových produktov,

• rýchlu integráciu moderných procesných technológií a nových funkcií do existujúcich výrobných systémov a ich ľahké prispôsobenie sa dynamicky sa meniacim množstvám výrobných dávok jednotlivých produktov.

 

Členenie výrobných systémov

V oblasti výrobných systémov existuje veľké množstvo rôzne používaných pojmov. Tento stav závisí od spôsobu nazerania na danú problematiku. Námet na ich všeobecné ujednotenie a efektívne členenie je uvedený na obr. 1.

obr1m

V rôznej literatúre je uvedené veľké množstvo definícií výrobných systémov z rôznych uhlov pohľadu. Z tohto dôvodu sú tu uvedené formulácie čo najpresnejších definícií v oblasti výrobných systémov:

Pružný výrobný systém – funkčné zoskupenie výrobných zariadení prepojených materiálovým tokom a informačnou sieťou, umožňujúce využitím flexibilnej zmeny vo výrobných zariadeniach z dôvodu zavedenia nových výrobkov v pomerne krátkych časových intervaloch, vyrábať efektívne malé množstvá (inšpirované [1, 2]).

Stavebnicový výrobný systém – flexibilná zostava kompatibilných prvkov (technologické a polohovacie jednotky, nosný rám, chladiaci systém,…) a ich vzájomných väzieb, ktorá je rozšíriteľná o nové prvky za účelom zmeny parametrov systému (inšp. [3]).

Modulárny systém – flexibilná zostava unifikovaných modulov (modul – samostatne funkčná jednotka) vo funkčne logickom (štrukturálne, systémovo, koncepčne, kinematicky,…) usporiadaní do vyššieho funkčného celku (napĺňajúcom požadované parametre a pracovné funkcie).

Rekonfigurovateľný systém – modulárny systém s možnosťou zmeny usporiadania vlastných modulov (štrukturálna, systémová, koncepčná, kinematická,…) za účelom vytvorenia inovovaného systému s inovovanými vlastnosťami.

Samorekonfigurovateľný systém – rekonfigurovateľný systém schopný samostatne vykonať zmenu usporiadania vlastných modulov (štrukturálnu, systémovú, koncepčnú, kinematickú,...) za účelom vytvorenia inovovaného systému s inovovanými vlastnosťami.

Metamorfný systém – uzavretý samorekonfigurovateľný systém za účelom vytvorenia inovovaného systému s inovovanými vlastnosťami (def. Inšpirovaná [4]).

Fraktálový systém – otvorený samorekonfigurovateľný systém, skladajúci sa z proaktívne konajúcich prvkov – fraktálov (ich štruktúra sa opakuje), ktoré sledujú spoločný cieľ (def. inšpirovaná [5, 6]).

 

Koncepcie pružných technických systémov

Pružné výrobné systémy (Flexible Manufacturing Systems – FMS) umožňujú pružnú výrobu skupiny produktov na jednom výrobnom systéme. Medzi pružné technické systémy sa podľa členenia na obr. 1. radia modulárne a stavebnicové systémy. Rozdiel medzi týmito systémami je najmä v autonómnosti, resp. v sofistikovanosti základných stavebných prvkov.

Koncepciou riešenia MTS (modulárneho technického systému) vzniká ucelená zostava modulov (unifikovaných jednotiek, funkčných uzlov, stavebnicových blokov,…) a ich vzájomných prepojení vo funkčne logickom (štrukturálne, systémovo, koncepčne, kinematicky,…) usporiadaní do vyššieho funkčného celku, napĺňajúcom požadované parametre a pracovné funkcie.

 

Realizácia väzieb – usporiadanie zostavy prvkov a jeho zmena:

• pevné – zmena vonkajšou aktivitou mimo prevádzky stavebnicového systému – rekonfigurácia kinematickej a funkčnej štruktúry STS,

• premenné – zmena vlastnou vnútornou aktivitou v priebehu prevádzky stavebnicového systému – samoprestavenie vedúce k zmene parametrov kinematickej a funkčnej štruktúry STS,

• premenné – zmena vlastnou vnútornou aktivitou v priebehu prevádzky modulárneho systému – samorekonfigurácia kinematickej a funkčnej štruktúry MTS.

obr2m obr3m
obr4m obr5m

Koncepcia 1 – Stavebnicové systémy s pevnou väzbou, ako napríklad stavebnicové výrobné stroje triedy hobby od firmy „The Cool Tool“, obr. 2 – zostavenie STS z definovaného počtu a druhov štandardizovaných prvkov (pohybových jednotiek, pohybových vedení, stavebnicových blokov, unifikovaných uzlov,…), s možnosťou jeho mechanickej prestavby mimo prevádzky na nové funkčné a prevádzkové konfigurácie STS.

Koncepcia 2 – Stavebnicové systémy s premennou väzbou, napríklad revolverová hlava s viacvretenovými hlavami firmy PIBOMULTI [7], obr. 3 – zostavenie STS z definovaného počtu a druhov prvkov (vretenových hláv, uchopovacích jednotiek, stavebnicových blokov, unifikovaných uzlov,…) s možnosťou jeho mechanickej prestavby v priebehu jeho prevádzky na nové funkčné a prevádzkové konfigurácie STS [14].

Koncepcia 3 – Modulárne systémy s pevnou väzbou rekonfigurovateľné, napríklad moduly Molecule, obr. 4 [12] – zostavenie MTS z definovaného počtu a druhov autonómnych modulov AM (pohybových jednotiek, pohybových modulov, stavebnicových blokov, unifikovaných uzlov,…) s možnosťou jeho mechanickej prestavby mimo prevádzky na nové funkčné a prevádzkové konfigurácie MTS.

Koncepcia 4 – Modulárne systémy s premennou väzbou samorekonfigurovateľné, napríklad moduly A-Tron, The Maersk McKinney Moller Inst., Univ. of Southern Denmark, obr. 5 – zostavenie MTS z variabilného počtu a druhov autonómnych modulov AM (pohybových jednotiek, pohybových modulov, stavebnicových blokov, unifikovaných uzlov,...), s možnosťou jeho samoprestavby v priebehu jeho prevádzky na nové funkčné a prevádzkové konfigurácie MTS.

 

Modularita technických systémov

Konkrétna architektúra MTS zostaveného z modulov AM má vyhovovať technickými parametrami požiadavkám aplikácie, spĺňať požiadavky kvality, životnosti a bezpečnosti.

V systéme MTS – AM sú vzájomne zameniteľné – spojenie s ostatnými časťami systému MTS je realizované štandardnými (resp. účelovými) spájacími prvkami – interfejsmi.

Znaky modulu AM – typ a tvar modulu AMi závisí od jeho funkčnosti v zostave systému MTS a parametrizácie požiadaviek z toho vyplývajúcich – znaky:

• môže sa pohybovať po susedných moduloch, alebo sa môže otáčať alebo posúvať susedné moduly,

• môže byť heterogénny alebo homogénny,

• podľa typu vzájomnej polohy a koordinácie môže byť aplikovaný pre paralelnú alebo sériovú štruktúru MTS,

• počet pohov a počet stupňov voľnosti určuje jeho mobilitu,

• typ aplikovaného spájacieho mechanizmu (interface) určuje schopnosti jeho metamorfózy,

• aktívny AM môže byť postavený na rotačnom, resp. lineánom princípe pohybu, pasívny AM – spájací AM nemá pohyblivé časti (úlohou je spájať aktívne AM).

obr6m

Architektúra stavebných modulov vychádza z potreby vhodného zoskupovania vhodných modulov do architektúry MTS, ktorá je opakovateľná vo forme konštrukčnej bázy pre určité typy aplikácií.

Moduly zoskupené v architektúre MTS, obr. 6:

• platforma je množina modulov použitých vo viacerých úplných zostavách MTS (MP – Modules of Platform), napr. MTS01,

• množina modulov, podieľajúcich sa na viacerých zostavách MTS (MM – Multimachine Modules), napríklad M5,

• množina modulov, podieľajúcich sa len na jednej zostave robota (MS – Singlemachine Modules), napríklad M4.

Stupeň využitia unifikovaných stavebných modulov v jednotlivých riešeniach zostavy MTS vyjadruje „miera modulárnosti“ [8, 9]. Vo všeobecnosti môže miera modulárnosti nadobudnúť hodnotu:

Odporúča sa zostaviť štruktúru posudzovaných zostáv MTS do tzv. mapy modulárneho systému – prehľadného zobrazenia štruktúr jednotlivých zostáv a zobrazenia využitia jednotlivých variantov stavebných modulov v zostavách MTS.

 

Modularita výrobnej techniky, znaky a charakteristika

Hodnotenie modularity – realizovateľné z viacerých pohľadov – pre praktické potreby konštrukcie a prevádzky PR je vhodné a dostatočné modularitu členiť do základných skupín (väzba na konštrukčnú stavbu), obr. 7.

obr7m

Funkčná modularita – viazaná na hlavné funkcie a vlastnosti MTS (predovšetkým prevádzkové) – zámenou modulu AM sa dosiahne zmena funkcie (funkčnosti) MTS.

Typorozmerová modularita – charakterizuje konštrukciu MTS – pohľad jeho pružnej transformácie na iný typorozmerový rad MTS – zámenou modulu AM sa menia funkčné rozmery/výkonové parametre konštrukcie MTS.

Typové rady AM (odstupňovanie parametrov AM, resp. typizácia AM) sa vykonáva rozlíšením parametrov na:

• základné skupiny (charakteristické pre konštrukčné a funkčné skupiny: príkon, krútiaci moment,...),

• odvodené (rozhodujúce pre používateľa: výkon, rýchlosť,...).

Komponentná modularita – charakterizuje konštrukciu MTS z pohľadu výroby, údržby a servisu. Zámenou modulu AM sa nemenia funkčné rozmery ani výkonové parametre konštrukcie MTS. Takáto výmena/aplikácia modulov AM má zmysel pri zefektívnení výroby, servisnej činnosti a údržbe.

Prvky, komponenty AM v rámci jedného druhu sú si fyzikálne podobné. Z tohto dôvodu je možné po splnení podmienok uplatňovať princípy z teórie podobnosti [20].

obr8m

Príklad typorozmerového radu

Na obr. 8 [10] je vyobrazený zdvojený dvojosový modulárny manipulátor určený pre rôzne stupne zaťaženia. Ak je modulárna zostava vystavená maximálnym zaťažením, je nutné znížiť dynamiku pohybu na odporúčanú mieru, resp. pre stavbu manipulačného zariadenia voliť vyšší typorozmerový rad, obr. 9.

obr9m

Predložený článok je príspevkom k riešeniu grantového projektu: KEGA 023TUKE-4/2012 – Tvorba komplexného edukačno-didaktického materiálu pre predmet Výrobná technika s využitím kombinácie klasických a moderných informačných technológií a e-learningu.

 

Literatúra:

[1] ONOFEROVÁ, M.: Metodický prístup k navrhovaniu rekonfigurovateľných výrobných systémov: Diplomová práca, Košice: TU v Košiciach, Strojnícka fakulta, 2010. 53 s.

[2] HAJDUK, M.: Pružné výrobné bunky, Vienala, SjF, TU v Košiciach, 1998. ISBN 80-7099-387-1.

[3] VARCHOLA, M., MADÁČ, K.: Semestrálny projekt z výrobných strojov, I diel, Rektorát Technickej Univerzity v Košiciach, 1992. ISBN 80-7099-147-X.

[4] BOBOVSKÝ, Z. Návrh robota s metamorfnou kinematickou štruktúrou: Dizertačná práca, SjF, TU v Košiciach, 2009.

[5] KRAJČOVIČ: Projektovanie výrobných systémov – Fraktálová organizácia [online]. Žilina: Katedra priemyselného inžinierstva, SjF, Žilinská Univerzita, 2006 [cit. 1.2.2012]. Dostupný z WWW: .

[6] WARNECKE, Hans-Jurgen, et. Al.: Fraktálový podnik, Slovenské centrum produktivity Žilina, 2000. 208 s. ISBN 80-968324-1-7.

[7] Pibomulti [online]: Pibomulti s. a. Jambe-Ducommun 18, CH – 2400 Le Locle Switzerland, 2012 [cit. 26.1.2012]. Dostupné z WWW: .

[8] GULAN, L. Modularita ako podmienka vytvárania platformy. Strojárstvo, roč. IX, č. 3/2005, str. 38, MEDIA/ST, s. r. o., Žilina, 2005, ISSN 1335-2938.

[9] GULAN, L. Tendencie vývoja konštrukcií mobilných pracovných strojov. Stavební technika, 2/2005, roč. 4, s. 24–25. VEGA, s. r. o., Hradec Králové, ISSN 123146188.

[10] Güdel [online]. Güdel AG, Gaswerkstrasse 26, Industrie Nord, CH-4900 Langenthal, Switzerland. 2012 [cit. 28.1.2012]. Dostupné z WWW: .

 

TEXT/FOTO Ing. Jozef Svetlík, PhD., KVTaR, Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach