Sinteza SFF

1. Recapitularea sintetica a informatiilor despre SFF

Caracteristici ale SFF:

- SFF contine un sistem automat de manipulare al obiectelor de lucru (semifabricate, piese finite, piese in curs de prelucrare, scule, palete, deseuri, rebuturi, etc.) care realizeaza integrarea fluxului de material in sistem si asigura alimentarea automata a pieselor la masinile de lucru;

- Ciclu automat de functionare al masinilor unelte ;

- Control complet al procesului de fabricatie desfasurat in sistem prin calculatorul central ;

- Posibile operatii manuale la unele statii de lucru.

Caracteristici ale productiei din SFF:

Numar mediu de tipuri de piese prelucrate simultan in sistem ;

Volum mediu al productiei din sistem;

Schimbarea rapida a produselor.

  Estimarea flexibilitatii sistemului:

Numar variabil, programabil, de tipuri de piese prelucrate simultan in sistem;

- Flexibilitate de acces (rutare) alternative la masini unelte ;

- Schimbare a volumului productiei ;

- Flexibilitate in proiectarea produselor.

Sarcinile operatorilor umani in SFF:

- Incarcare/descarcare a obiectelor de lucru in/din sistem, schimbarea sculelor din magaziile de scule, reglarea acestora, interventii de instalare, reglare a componentelor la schimbarea sarcinii de fabricatie;

- Programarea "on-line/off-line" a echipamentelor;

- Supravegherea si monitorizarea functionarii sistemului;

- Mentenanta echipamentelor si a sistemului.

  Echipamentele de calcul automat sunt esentiale si pot fi :

- CNC - Comanda numerica cu calculatorul (Computer Numerical Control) ;

- DNC - Comanda numerica distribuita (Direct Numerical Control) pentru toate masinile unelte din SFF;

- Sistem de comanda a subsistemului de manipulare ;

- Monitorizare - baza de date de productie continand numar de piese, date despre scule, coeficienti de utilizare ai masinilor, etc. ;

-Sistem de comanda central cu functii de comanda a productiei, de comanda a logisticii, de comanda a sistemului de scule, etc.

Probleme rezolvate cu SFF:

- Producerea unor familii de piese, grupate cu tehnologia de grup;

- Intrarea tipurilor de piese in SFF poate fi aleatoare din cauza timpului scazut de initializare a sistemului la schimbarea tipurilor de piese;

- Timp scazut petrecut de piesa in sistem (de la intrarea semifabricatului la iesirea piesei finite din sistem) datorita organizarii si reducerii timpilor de asteptare;

- Manopera scazuta in procesul de fabricatie ;

- Coeficienti crescuti de utilizare ai masinilor de lucru;

- Manopera directa si indirecta redusa ;

- Comanda managementului mai buna.

Cele mai frecvente probleme si defectiuni in SFF sunt:

- Planificarea mentenantei ;

- Planificarea schimbarii sculelor;

- Probleme legate scule (uzuri ale sculelor si ajustari ale pozitiei acestora fata de piese) ;

- Defectiuni de natura electrica ;

- Probleme de natura mecanica (de exemplu, scurgeri de ulei).

Strategii de implementare a celulelor/sistemelor de fabricatie flexibila :

-Gasirea si identificarea unui adept al automatizarii flexibile din conducerea companiei beneficiare;

- Instruirea personalului (operatori si ingineri) in exploatarea SFF;

- Investitii in etapele de planificare a productiei ;

- Urmarirea realizarilor competitorilor directi;

- Implicarea angajatilor specialisti de la inceputul implementarii automatizarii flexibile ;

- Instalarea SFF in etape- nu se va implementa un sistem complex odata.

De evitat in luarea deciziilor legate de SFF:

- Neglijarea impactului pentru operatiile din amonte si aval de SFF ;

- Impunerea ca SFF sa devina forta dominanta in planificarea strategica a productiei ;

- Presupunerea ca departamentul vanzari va rezolva problema ;

- Luarea de decizii de baza exclusiv legate de finante (cele mai iiefitine variante de sistem);

- Ignorarea parerii angajatilor in procesul de implementare a SFF ;

- Incercarea de implementare odata a intregului sistem.

Elemente esentiale in studiul fezabilitatii implementarii unui SFF:

- Identifica zona/zonele din tehnologia de fabricatie care sunt adecvate automatizarii flexibile ;

- Considera problema in ansamblu (ca un sistem);

- Determina problemele cheie care trebuie rezolvate ;

- Identifica zonele cu impact a implementarii SFF din intreprindere;

- Determina gradul de flexibilitate necesar al SFF;

- Determina tipul de SFF necesar;

- Considera costul implementarii SFF.

Factori de luat in considerare la decizia implementarii SFF :

- Volumul productiei

- Experiente anterioare ale companiei in automatizare flexibila

- Amestecul de tipuri de produse (part mix)

- Ordonantarea productiei (planificarea productiei pe termen scurt-zile, schimburi)

- Extinderea existenta a sistemelor informatice in compania beneficiara (de exemplu utilizarea planificarii necesarului de materiale MRP)

- Utilizarea sistemelor CAD/CAM

- Disponibilitatea datelor de planificare a productiei si a datelor din proces

- Planificarea tactica a productiei este numai o parte a CIM (nu poate fi utilizata individual, ci numai in sistem CIM).

2. Procesul sintezei unui SFF

Sinteza SFF contine 2 etape: sinteza globala (structura sistemului cu subsisteme, legaturile prin fluxuri de material, de energie si de informatii intre componente), sinteza de detaliu (alegerea componentelor, proiectarea paletelor si/sau dispozitivelor de lucru, integrarea spatiala ("layout"=plan de amplasament) si temporala (ciclograme de functionare), integrarea spatialo-temporala (ordonantare).

Etapele sintezei SFF sunt:

Sinteza globala a SFF

q       Cand se proiecteaza un sistem nou: tehnologia de grup, cand se modernizeaza un sistem existent: stabilirea masurilor de modernizare;

q       Stabilirea conceptiei de baza (diferite variante de principiu ale SFF)

q       Alegerea subsistemului de prelucrare (alegerea tipurilor de masini si de dispozitive de lucru sau stabilirea masurilor de modernizare ale acestora)

q       Alegerea subsistemului de manipulare

q       Alegerea subsistemului de comanda a SFF (alegerea tipurilor de controlere, PLC sau automate programabile, CNC si stabilirea sistemului de comanda al celulei)

q       Analiza economica primara si alegerea celei mai bune variante de sistem.

Sinteza de detaliu a SFF

q       Proiectarea ciclogramelor de functionare

q       Proiectarea planului de amplasament

q       Proiectarea sistemului de comanda al celulei si SFF, programarea integrarii informatilor din sistem

q       Proiectarea planificarii productiei: serii de fabricatie, serii mixte, ordonantarea sistemului

q       Proiectarea masurilor de protectia muncii din sistem

q       Analiza economica finala.

2. Tehnologia de grup (TG)

TG: este filozofia din tehnologia de executiea produselor, care se bazeaza pe gruparea tipurilor de piese in familii pe baza unor criterii bine stabilite.

Criterii de gruparea tipurilor de piese in familii:

q       Forme primitive geometrice sau procese tehnologice

q       Dimensiuni de gabarit ale pieselor

q       Precizia de prelucrare a suprafetelor

q       Tipul de material al pieselor

q       Greutatea pieselor/semifabricatelor

q       Numarul de piese de produs/an/luna.

Piesa "ideala" (se proiecteaza luandu-se o data formele primitive geometrice de la piesele din familie) sau "caracteristica" a familiei (daca acesta exista, ea reuneste toate caracteristicile tehnologice ale membrilor familiei).

Pentru piesa "ideala" sau "caracteristica" se elaboreaza tehnologia de executie care se utilizeaza la: alegerea/proiectarea dispozitivelor, sculelor, dispozitivelor de prehensiune, etc si la proiectarea tehnologiei de executie pentru toate piesele din familie.

Gruparea masinilor de lucru in celule de fabricatie, dupa tehnologia de executie a familiei de piese, se poate realiza prin metoda matriciala.

Fie: e_ij=1 cand tipul de piesa j se prelucreaza la masina de lucru i si e_ij= 0 cand nu este indeplinita acesta conditie.

Dupa stabilirea proceselor tehnologice ale tuturor pieselor din spectrul de piese de prelucrat in viitorul sistem, se determina valorile elementelor matricii de incidenta e_ij.

Fie, de exemplu, matricea de incidenta: , adica piesa de tip 1 se prelucreaza la masina 1 si 3, piesa 2 la masina 2 si 4, piesa 3 la masina 2 si 3, piesa 4 la masina 1, 2 si 3, piesa 5 la masina 1 si 3, piesa 6 la masina 2, 3 si 4.

Dupa prelucrarea matricii de incidenta, prin modificarea pozitiei coloanelor si liniilor astfel incat sa se obtina submatrici cu cat mai multe elemente nenule, se poate obtine in exemplul anterior:

, ceea ce inseamna ca masinile 1 si 3 sunt grupate intr-o celula, iar masinile 2 si 4 in alta celula de fabricatie flexibila.

Tehnologia de grup este un concept ce se aplica la gruparea obiectelor de lucru in familii pe baza asemanarii acestora. In procesul de grupare se poate utiliza codificarea si clasificarea asistata de calculator a tipurilor de obiecte de lucru.

Criteriile de grupare a obiectelor de lucru se pot imparti in doua categorii: criterii de descriere a geometriei obiectelor de lucru si criterii tehnologice.

Criteriile de descriere a geometriei obiectului de lucru sunt:

forme primitive geometrice (corpuri delimitate de suprafete cilindrice, conice, plane etc, interioare si exterioare);

gabaritul obiectului de lucru (nu se pot grupa in aceeasi familie, obiecte de lucru cu gabarite de 10 si de 1000 mm).

Criterii tehnologice de grupare a obiectelor de lucru sunt:

precizia de prelucrare dimensionala si de calitate a suprafetelor (influenteaza itinerarul tehnologic al pieselor, se pot introduce sau nu operatii de prelucrare de precizie, rectificare, rodare, etc);

materialul obiectului de lucru (se grupeaza aceleasi tipuri sau tipuri compatibile de materiale ale obiecte de lucru in aceeasi familie);

greutatea obiectelor de lucru (influenteaza alegerea sarcinii utile a dispozitivelor de manipulare);

procesul tehnologic (obiectele de lucru cu aceeasi succesiune de operatii tehnologice sunt grupate in aceeasi familie);

sculele necesare operatiilor de prelucrare (desemneaza numarul de scule necesare prelucrarii indivizilor din familie, deci capacitatea magaziei de scule a masinilor de lucru);

dispozitivele de lucru necesare (face posibila proiectarea modularizata si tipizata a acestora);

numar anual de obiecte de lucru de fabricat (este necesar in stabilirea capacitatii productive a subsistemului de prelucrare/manipulare, deci numarul de echipamente de acelasi tip din sistem).

Caracteristicile geometrice si tehnologice ale tuturor pieselor din familie sunt reunite in "piesa ideala" sau "piesa caracteristica" a familiei. "Piesa caracteristica" a familiei este cel mai complex obiect de lucru, care intruneste toate cerintele tehnologice ale tuturor obiectelor de lucru ale familiei. Daca nu se identifica "piesa caracteristica" din familie, se va proiecta "piesa ideala" astfel incat sa contina cel putin o data fiecare forma primitiva geometrica a tuturor obiectelor de lucru din familie si toate cerintele tehnologice ale familiei.

Aplicatie

Piesa 6

Piesa 5

Piesa 4

Piesa 3

Piesa 2

Piesa 1

Sa se identifice "piesa caracteristica" a familiei de obiecte de lucru din Fig. 1 dupa criteriul de grupare al formelor primitive geometrice.

Fig. 1 Familie de obiecte de lucru

Solutie

Se observa din figura 1, ca obiectele de lucru din familie sunt corpuri delimitate de suprafete de rotatie concentrice exterioare si interioare. Formele primitive ale obiectelor de lucru din familie care trebuie prelucrate sunt descrise de suprafetele:

Piesa 1: suprafata cilindrica exterioara

Piesa 2: suprafete cilindrice exterioare de diametre diferite si degajare cilindrica.

Piesa 3: suprafete cilindrice exterioare de diametre diferite si suprafete plane.

Piesa 4: suprafata cilindrica exterioara si gauri de diametre diferite.

Piesa 5: suprafata cilindrica exterioara si gaura strapunsa

Piesa 6: suprafete cilindrice exterioare de diametre diferite, suprafete plane, degajare cilindrica si gauri de diametre diferite. Piesa 6 este obiectul de lucru care insumeaza toate tipurile de forme primitive ale celorlalte obiecte ale familiei, deci este "piesa caracteristica".

Pentru proiectarea tehnologiei unui tip de piesa din familie se va utiliza tehnologia "piesei ideale" sau "a piesei caracteristice" din care se vor elimina acele operatii sau faze tehnologice care nu corespund tipului de piesa respectiv.

Gruparea obiectelor de lucru in familii este utilizata si in procesul de planificare a ordonantarii fabricatiei. Ordonantarea este procesul de planificare a tipurilor de obiecte de lucru care se vor prelucra in sistem intr-un interval de timp scurt (zile, saptamana) si a ordinii de intrare in sistem a obiectelor de lucru.

Principiile tehnologiei de grup se aplica la gruparea spectrului de obiecte de lucru al unui SFF in familii astfel incat pentru fabricatia tipurilor de obiecte de lucru din aceeasi familie sa nu fie necesara oprirea functionarii automate a sistemului si interventia manuala de adecvare a sistemului pentru prelucrarea noului tip de piesa. Adecvarea sistemului de fabricatie este activitatea de modificare a structurii sistemului si a caracteristicilor de functionare pentru a se realiza corespondenta intre posibilitatile sistemului si cerintele sarcinii de fabricatie.

Intrebari

De ce trebuie sa se proiecteze "piesa ideala" a familiei?

Ce caracteristici trebuie sa aiba "piesa caracteristica" a familiei?

Precizati rolul "piesei ideale" sau "caracteristice" a familiei in elaborarea tehnologiei de executie a tipurilor de obiecte de lucru din familie.

Ce inseamna ordonantare si in cadrul carei etape de proiectare a fabricatiei se stabileste aceasta

Prelucrarea conceptiei de baza a unui SFF

Date de intrare:

q       Spectrul de tipuri de piese (tipuri de piese din familiile care au fost grupate prin TG);

q       Volumul productiei/an pentru fiecare tip de piesa;

q       Numar de piese din seriile de fabricatie;

q       Procesul tehnologic al tipurilor de piese.

Date de iesire:

q       Automatizarea prelucrarilor, masurarii si montajului;

q       Automatizarea functiilor de aducere a materialului, evacuarii deseului;

q       Sarcinile de executie a robotilor si a dispozitivelor de aducere/evacuare;

q       Solutii diferite de celule sau sisteme de fabricatie flexibila cu planuri de amplasament de principiu ale acestora.

La sfarsitul acestei etape de sinteza a SFF se va alege, prin metoda multicriteriala, cea mai optima varianta de celula sau sistem.

4. Analiza masurilor de modernizare a unui SF existent

Care sunt conditiile pentru automatizarea unui SF?

Doua etape ale analizei: de excludere si de ordonare

Criterii de excludere: Daca ordinea activitatilor este aceeasi;

Daca activitatile sunt biunivoc definite;

Daca se pot gasi metode de cuatificare numerica a activitatilor. 

Criterii de ordonare: Criterii tehnico-organizatorice (1)

Criterii sociale (2)

(1) Se analizeaza sistemul de fabricatie existent dupa diferite criterii, se atribuie valori coeficientilor de ordonare (c_i) pentru fiecare caz in parte.

De exemplu: Posibilitatile de ordonare ale pieselor: ordonare dupa 2 axe (c_i=1), Situare nedeterminata, sunt necesare dispozitive de ordonare (c_i=2), situare nedeterminata, sunt necesari senzori (c_i=3), ordonare la postul de lucru anterior (c_i=4), situare nedeterminata, nici o posibilitate de ordonare (c_i=5);

Precizie de prelucrare Pr [mm]: Pr>2mm (c_i=1), 2> Pr >1mm (c_i=2), 1>Pr>0,05mm (c_i=3), 0,05>Pr>0,01mm (c_i=4), Pr<0,05mm (c_i=5).

Greutatea de manipulare G[kg]: G<20kg (c_i=1), 20<G<50kg (c_i=2), 50<G<100kg (c_i=3), 100<G<500 (c_i=4), G>500kg (c_i=5).

Alte criterii de ordonare sunt: gradul de automatizare al masinilor si dispozitivelor de lucru, numar de axe comandate pe care le necesita prelucrarea, functiile auxiliare, controlul, masurare, supraveghere, instalarea pieselor, numar de tipuri de piese/an.

Dupa analiza conditiilor de fabricatie existente, la toate criteriile de ordonare au fost atribuite valori intre 1-5. Valoarea criteriului de decizie este: , unde p_i=1, 2, 3 ponderea (importanta) criteriului si c_i este criteriul de ordonare, i=1-12. Cand valoarea criteriului de decizie este C₀=12-20 posibilitatea de automatizare este foarte buna, C₀=20-30 buna, C₀=30-40 medie, C₀=40-50 slaba.

(2) Conditiile sociale pot fi:

Valoarea de decizie se calculeaza: si daca C₀<34 conditiile de fabricatie sunt indiferente din punct de vedere social, 34<C₀<64, se necesita automatizare, C₀>64 este imperios necesara automatizarea.

5. Alegerea subsistemului de prelucrare

Cand un SFF este nou, trebuie realizate: Caiete de sarcini pentru masinile si dispozitivele de lucru

Analiza ofertei de pe piata (marketing);

Alegerea celei mai bune (pret/calitate) oferte.

Cand se modernizeaza un sistem nou, trebuie sa:

Sa se determine gradul de uzura al sistemului mecanic si sa se verifice starea de functionare a actuatoarelor,

Sa se realizeze o interfata noua intre sistemul de comanda (eventual nou achizitionat) si cel de actionare;

Automatizarea dispozitivelor de lucru;

Automatizarea schimbarii sculelor;

Automatizarea diagnozei masinilor.

6. Alegerea subsistemului de manipulare

Dupa desfasurarea procesului de alegere a subsistemului de manipulare se obtin:

q       Optimizarea miscarilor obiectelor in cadrul sistemului;

q       Necesitatile de comportament inteligent ale componentelor sistemului;

q       Specificatiile caracteristicilor robotului rezultate din necesitatile de manipulare.

Posibilitatile de legare prin flux material a diferitelor masini de lucru:

q       Cu conveior sau banda rulanta cand piesele sunt asemanatoare si sunt ordonate dupa fiecare operatie de prelucrare (cazul 1 in Figura 4 a) si timpii de prelucrare sunt aproximativ egali (cazul 2 in Figura.4 b.).

Figura 4 a Cazul1 Figura 4 b Cazul 2

q       Cu palete purtatoare de piese cand spectrul de piese este mare;

q       Cu robot pe axa de translatie cand timpii de prelucrare sunt mari.

Optimizarea miscarilor pieselor: gradele de libertate necesare obiectului sunt asigurate de catre IA/E si RI. Cu cat IA/E sunt mai complicate si au un comportament secvential, cu atat robotul este mai simplu.

Asigurarea comportamentului inteligent a sistemului: care sunt capacitatile sistemului de a adapta la schimbarile de mediu?

Se iau in considerare comportamentul secvential si inteligenta artificiala a componentelor (RI).

Alegerea robotilor (etape de alegere)

Caracteristicile de luat in considerare robotilor: sarcina utila/maxima-incarcarea, felul actionarii, felul programarii. Proiectarea primului plan de amplasament aproximativ;

Stabilirea instalarii robotilor (pe sol, suspendat, pe batiul masinii, pe AGV). Stabilirea caracteristicilor necesare: curse, puncte tinta, orientari, forma degetelor, felul dispozitivului de prehensiune, viteze/viteze unghiulare, felul conducerii, meniuri de program. Proiectarea celui de-al doilea plan de amplasament.

Calculul numarului de roboti (RI) necesar in sistem. Accesul la masina, posibilitati de miscare, capacitati de productie. Proiectarea celui de-al treilea plan de amplasament de detaliu.

Valorile medii ale caracteristicilor robotilor: lungimea bratului: 0,8m; incarcarea: 5kg; cursa: 180mm; suprafata spatiului de lucru: 125 dm²; numar de axe CN: 4; tip de conducere: PTP, MP, CP; limbaj de programare: prin invatare, codificat, tip text; programul sistemului: integrat; cost: 20000 EUR.

7. Calculul economic primar

Beneficiul suplimentar (B_i) pentru o varianta i de SFF se calculeaza:

, unde E_mi este economia de manopera, B_pi si B_ci sunt beneficiile suplimentare obtinute prin cresterea capacitatii de productie si a calitatii produselor, I valoarea investitiei pentru varianta i, A (A=3-5 ani) numarul de ani pentru returnarea investitiei, C_Ii sunt cheltuieli de intretinere, C_Ei sunt cheltuieli pentru energie in functionarea SFF, C_Fi cheltuieli de functionare a SFF.

Beneficiul suplimentar obtinut in urma cresterii capacitatii de productie si a calitatii produselor este calculat cu: respectiv unde Dp_j, p_j sunt cresterea de capacitate de productie, respectiv capacitatea de productie pentru j produse, DV_j, V_j sunt cresterea valorii pretului produsului, respectiv pretul de vanzare al produsului j.

Costurile de investitie I se calculeaza cu:

, unde C_m sunt costurile masinilor de lucru m, n_m este numarul de masini de tipul m identice din SFF, c_m este costul unei axe comandate, M este gradul de mobilitate total in SFF, Cd_d costul dispozitivului de tip "d", Cia_r sunt costurile tipului "r" de facilitati de inteligenta artificiala, Cls_t sunt costurile comportamentului logic secvential de tip "t".

B_i, I_i sunt calculate, A este ales, pentru fiecare varianta i, apoi se alege varianta optima de structura a SFF, pentru care avem cea mai mare valoare a lui B si cea mai mica a lui I si A.