Automatizácia v priemysle I - Základy lineárnej techniky

Stroje pre automatizáciu procesov        sú neodmysliteľnou súčasťou modernej výroby

Priemyselný rozvoj posledných rokov zažil vďaka znižovaniu jednotkových nákladov a zvyšovaniu úrovne kvality enormný rast. Avšak pre maximálne využitie tohto rastu musí spoločnosť zabezpečiť, aby ich strojový park a výroba boli zladené s individuálnymi požiadavkami, ktoré dostávajú.

Táto biela kniha slúži ako príručka pre uplatňovanie  lineárnej techniky v priemysle a má čitateľovi pomôcť pri predbežnom výbere vhodnej technológie. Predstavuje základné technické prístupy a poskytuje orientáciu aj rýchly prehľad o príslušných výhodách. Vďaka pokrokom v technológii značne vzrástol sortiment dostupných produktov. Pre urýchlené  plánovanie je preto dôležité  zamerať sa na kľúčové prvky. Táto biela kniha môže tiež pomôcť používateľom, ktorí nemajú príliš veľa predchádzajúcich znalostí, posúdiť vhodnosť ponúkaného riešenia.

Automatizácia v priemysle  je veľmi komplexná téma, takže tento prvý diel "Základy lineárnej techniky" sa sústredí na mechaniku a zaoberá sa rozhodnutím, ktoré musí byť urobené pri výbere vhodnej hnacej techniky a technológie vedenia. Druhý diel "Motory a riadiace systémy" sa zameriava na elektronické komponenty a na súhru mechaniky, riadiaceho systému a motora.

Krátka história automatizácie

Jednoduché stroje prekonávajú ľudské hranice

Od nepamäti sa človek pokúša prekonať hranice svojich telesných schopností. Používanie nástrojov patrí k technikám ľudskej kultúry napomáhajúcim k riešeniu úloh v rôznych životných situáciách. Na začiatku to boli elementárne otázky prežitia, ako tiež naznačuje latinský koreň slova "cultura", ktorý znamená "spracovanie, starostlivosť, obrábanie pôdy". Najstaršie známe, kamenné nástroje použil homo habilis už pred cca 2,5 miliónmi rokov.

Oveľa neskôr začal moderný človek vyvíjať jednoduché stroje, aby prekonal medze vlastnej presnosti a produktivity. V hroboch v Číne boli nájdené nefritové prstene staršie ako 2 500 rokov, ktoré boli tak rovnomerné, že možno usudzovať, že boli zhotovené automatizovaným spracovaním tohto tvrdého minerálu. Opakovaným krúživým pohybom bol postupne vytvorený pravidelný skrutkovitý vzor, ktorý možno s minimálnymi rozdielmi nájsť na všetkých prsteňoch.

Počas prvej priemyselnej revolúcie zažila automatizácia nečakaný rozmach. Výhody mechanizácie procesov boli doplnené výkonom parného stroja. Tým prestala byť sila ľudí alebo zvierat limitujúcim faktorom. Pomocou strojov bolo možné vyrábať tovary, čo bolo predtým nemysliteľné.

Počas druhej priemyselnej revolúcie sa vďaka použitiu bežiaceho pásu skrátila dramatickým spôsobom doba výroby. Výsledkom toho bol významný pokles nákladov pre spotrebiteľa.

Aj dnes má automatizácia predovšetkým za cieľ dosiahnuť opakovateľných výsledkov pri nezmenenej kvalite. Vďaka automatizácii možno ľahšie udržať štandardy, pretože  môžu byť značne eliminované odchýlky spôsobené zásahom ľudskej ruky. Stroje sa neunavia a spravidla vyrábajú rýchlejšie ako človek. Tam, kde je žiadaná výroba identických predmetov s nemennou kvalitou, je automatizácia nenahraditeľným predpokladom zachovania konkurencieschopnosti.

Stroje sa stávajú inteligentnými

Jednoduché stroje permanentne opakujú jednu a tú istú operáciu. Už malé zmeny vyžadujú v rámci výrobného procesu väčšie úpravy či prestavby. Preto bol hľadaný postup, ktorý by umožnil riadiť stroje nezávisle  na situácii. K tomu stroje potrebujú na jednej strane senzory pre meranie a posúdenie stavu, na druhej strane potom elektronický mozog pre spracovanie informácií. Potom prišiel rok 1969: Na trh prišiel prvý plc (PLC) a zahájil tretiu priemyselnú revolúciu. Za jeho tvorcu sú považovaní Richard Morley a Odo J. Struger. Programovateľné riadenie stroja Modicon 084 prišlo na trh pod nešikovným názvom "Solid-State Sequential Logic Solver". "Logic Solver" odkazuje na to, čo bolo pre pána Morleya  mimoriadne dôležité: Jeho riadiaci systém mal za úlohu vyvodzovať z udalostí logické závery a príslušne na to reagovať.

Jednoduché riadiace systémy napr. Simatic spoločnosti Siemens ponúkali už od roku 1958 schopnosť operácie počítať a napr. pri dosiahnutí počtu 100 vykonávané operácie zastaviť, aby mohol byť vymenený zásobník. Skutočná programovateľnosť, ktorá bola podľa vzoru Modicon 084 schopná flexibilne reagovať, prišla neskôr. V roku 1974 uviedli páni Klaschka a Pilz v Nemecku na trh prvý PLC. Firma Siemens ich nasledovala takmer v tom istom okamihu s riadiacim systémom Simatic S3.

Z uzatvorených systémov včerajška sa stali multifunkčné jednotky dneška. Koľko komponentov môže riadiť jedno riešenie, ako precízne sú dané procesy a ako ľahko ich je možné zharmonizovať s inými systémami, určuje výber vhodných riadiacich systémov.

Automatizácia sa stále viac mení z jedného procesu, na ktorý je zameraný jeden jediný stroj, na systém prepojených sietí. Vďaka vzájomnej komunikácii medzi strojmi  majú byť možné nové formy tvorby hodnôt. Vo štvrtej, nadchádzajúcej, priemyselnej revolúcii získavajú pod heslom "Priemysel 4.0" mimoriadny význam oblasti inteligentného spracovania a prenosu dát. Takže zákazkové produkty budú môcť byť vyrábané s nízkymi nákladmi rovnako ako sériové výrobky na strojoch.

"Smart production (inteligentnávýroba) umožňuje zvládnuť procesy, ktorých komplexnosť si takmer nemožno predstaviť. Továreň budúcnosti ponúka podstatne vyššiu flexibilitu a robustnosť na preslávenej vysokej úrovni produktivity a kvality pri optimálnom využití zdrojov. Hlavnou výzvou tohto úplne nového spôsobu výroby je ešte vyššia automatizácia so súčasnou individualizáciou procesov, zvládnutie obrovských množstiev dát a vysoko rozvinutý monitoring, čo umožní riadiť celé spoločnosti a siete vytvárania hodnôt ", hovorí Prof. Dr. Henning Kagermann z Nemeckej akadémie technických vied (ACAT) v Mníchove.

Časová osa průmyslových revolucí

 

V budúcnosti bude rozhodovať efektivita

Rastúce nahrádzanie ľudskej pracovnej sily vo výrobe stroja vedie k tomu, že sa ľudia budú stále viac sústreďovať na činnosti vývoja, plánovania a projektovania. Ľudia sa musia už dnes starať o to, aby firmy existovali aj v budúcnosti a nebola v dôsledku silno globalizovaných trhov obmedzovaná ich činnosť stále rastúcim konkurenčným tlakom. Prof. Dr. Henning Kagermann predpokladá pre budúcnosť v oblasti priemyselnej práce ešte ďalšie významné kvalitatívne zmeny: "Pracovná činnosť v" Smart Factories "bude na všetkých pracovníkov klásť výrazne vyššie požiadavky v rámci komplexnosti, abstrakcie a schopnosti riešiť problémy. Navyše bude od pracovníkov vyžadovaná vysoká miera samostatne riadeného rokovania, umenia komunikácie a schopnosti samostatnej organizácie." Pracovníkov pri tom budú podporovať inteligentné asistenčné systémy, ktoré budú riadiť presnú, bezpečnú a efektívnu výrobu

Ústrednou témou je - dnes a iste aj v budúcnosti bude - efektivita. Aby docielili výhod efektivity, koncentrujú sa firmy stále viac na svoje Kľúčové kompetencie. K tomu je nutné pridať ekonomické využívanie zdrojov  a používanie  vyzretých a inovatívnych technológií.

Vysoká vertikálna integrácia tak, ako bola v priemysle realizovaná skôr, sa preukázala a preukazuje čoraz viac ako nehospodárna. Vysoké investície do strojov a zariadení vedú k vysokému viazaniu kapitálu. Na druhej strane sa nepretržite skracujú životné cykly výrobkov, takže náklady musia byť amortizované stále rýchlejšie. Tento vývoj mal a má za následok, že sa firmy silnejšie koncentrujú na svoje kľúčové kompetencie. To opäť vedie popri zoštíhľovaní vertikálnej integrácie aj k zásadnej a čiastočne revolučnej odbornosti v určitých priemyselných sektoroch. Táto vyzretá odbornosť a s ňou prepojené inovatívne  technológie môžu byť nakupované a zvyšujú tak úžitok vlastnej výroby príp. vyrábaných výrobkov. Zvýšený úžitok zákazníka zase znamená docielenie zvýšenej predajnej ceny. Výsledkom je rast efektivity pri súčasnom posilnení pozície na trhu.

Firmy orientované na zákazníka spolu s tým už ponúkajú vopred pripravené riešenia pre realizáciu  konkrétnej úlohy. Navyše sú definované jednotné rozhrania, aby mohla byť zaručená kompatibilita s rôznymi konštrukčnými celkami. Vopred konfigurované konštrukčné celky znižujú predovšetkým v strojárstve, a v prípade individuálneho projektovania, komplexnosť projektov. Navyše môžu byť skracované dĺžky procesov a zvýšená bezpečnosť plánovania jednotlivých projektov.

Technické základy automatizácie

Lineárna technika je bežné riešenie priemyselnej automatizácie. Je robustná, spoľahlivá a možno ju implementovať s vynaložením minimálnych nákladov a úsilia. Lineárne znamená, že pohyb prebieha pozdĺž osi. Lineárna jednotka pohybuje tzv. vozíkom (nosič pre spracovávaný predmet alebo aplikácie) v jednom smere vpred a vo väčšine prípadov aj späť. Synchrónne hriadele sa starajú o to, že pracujú dve alebo viac lineárnych jednotiek súbežne. Lineárne jednotky je možné aj kombinovať tak, že je možné umiestnenie vo dvoch alebo v troch osiach.

S relatívne nízkym objemom investícií môžu byť za použitia lineárnej techniky usporiadané komplexné sledy pohybov.

Poháňaná lineárna jednotka sa skladá z nasledujúcich komponentov:

• Lineárna jednotka je kombináciou jednej koľajnice a jedného vozíka, ktorý sa pohybuje na tejto koľajnici. Vozík sa môže pohybovať len po koľajnici v presnom lineárnom pohybe.
• Hnací element, napr. vo forme dvoch reverzných remeníc a jedného ozubeného remeňa, umožňuje vozíku pohybovať sa mechanicky..
• Motor vykonáva mechanickú prácu napr. tým, že je elektrická energia premieňaná na energiu pohybovú.
• Riadiaci systém zodpovedá za to, že motor dodáva nielen pohybovú energiu, ale vykonáva aj určitý poče otáčok v správnom smere a v správnom čase s ohľadom na požadovaný pohyb.

Výber lineárnej  jednotky vhodnej  pre danú situáciu je určený hlavne  spracovávaným či opracovávaným predmetom a taktiež pre  individuálne prostredie  výroby.  Kľúčové faktory, ktoré sa majú vziať do úvahy  pri  určení vhodnej lineárnej jednotky , sú popísané ďalej:

• Užitočné zaťaženie 
  V tomto pripade ide o hmotnosť, ktorú má vozík prepravovať. Ťažké spracovávané predmety alebo nástroje/náradie vyžadujú príslušné zaťažiteľné vedenia a pohony. Akú vysokú záťaž môže vozík niesť, závisí napr. na nosnosti pojazdových kladiek. Ak má byť veľké užitočné zaťaženie prepravované na dlhšiu trasu, musí byť prierez profilu nosiča prispôsobený zaťaženiu, aby s zabránilo nadmernému priehybu.
• Rýchlosť
  Čím rýchlejšie sa vozík pohybuje, tým menej času sa stráca medzi krokmi spracovania. Vyššia rychlosť tiež zvyšuje počet vykonávaných operácií a tým produktivitu výrobnej linky.
• Opakovaná presnosť
  Predstavuje maximálnu odchýlku u pravidelného pohybu z bodu A do bodu B. Pri vysokej opakovanej presnosti zastaví vozík vždy presne na požadovaném mieste, čo zvyšuje precíznosť spracovania. Nízke tolerancie sú najlepšou cestou k trvalému spľahlivému vykonaniu vopred definovaných pohybov.
• Maximálna dráha pohybu
  Samotné plánovanie použitia v konečnom dôsledku určuje trasu, ktorú musí vozík za účelom svojej úlohy vykonať. Zaiste hnacie a vodiace technológie budú vhodnejšie ako iné s pochybnou drahou pohybu.

Lineárne vedenie

Lineárne vedenie je základným komponentom lineárnej jednotky. Udáva smer pohybu - lineárnu dráhu. Dá sa to porovnať s vlakom, ktorý premáva po koľajniciach. Lineárne vedenie sa preto skladá z dvoch elementov: vlastné vedenie (koľajnice) a k tomu vhodný dopravný element (vozík).

Rozlišujeme následovné druhy lineárného vedenia:

• Kladková vedení
  Kladkové vedenia používajú pojazdové kladky, ktoré sa pohybujú na koľajniciach. Koľajnice sú zvyčajne okrúhlé alebo polo-okrúhle tyče, ktoré sú v nosnom profile. Pojazdové kladky sú špeciálne profilované ložiská. Ich profill je usporiadaný tak, že presne obopínajú koľajnice a je teda možná prevádzka bez vôle, bez toho, aby pojazdové kladky mohli vyskočit zo svojho vedenia. Vďaka priemeru a materiálu koľajníc a kladiek aj vďaka počtu a usporiadaniu kladiek je možno kladkové vedenie prispôsobit veľkému počtu aplikácií.
• Vedení s klzným vozíkom
  Vedenia s klzným vozíkom kľžu za nízkeho trenia priamo po povrchu. Profilovaná klzná vložka kľže pri tomto spôsobe vedenia pozdľž rovnako profilovanej koľajnice a zaisťuje tak, že vozík neopustí svoju dráhu. Vedenie s klzným vozíkom je vhodné pre použitie, ktoré nemusí byť úplne bezvôlové a mali by byť navyše prevádzkované bez vysokých nákladov.
• Guľôčkové vedenie 
  Guľôčkové vedenia sú vedenia s valivými ložiskami, ktoré sa pohybujú podobne ako kladkové vedenie pozdľž kruhových alebo profilovaných koľajníc. Ich zvláštnosťou je usporodanie valivých teliesok, ktoré sa pohybujú pozdľž jednej dráhy a na konci sú vedené zase späť pozdľž druhou dráhou. Tento princíp funkcie viacbodového kontaktu pozdľž jednej dráhy umožňuje znižovať trenie a zaisťuje vhodné rozloženie síl, ktoré na ne pôsobia. Guličkové ložiská môžu  na malom preistore preniesť vysokú záťaž.

Hnacie prvky

Moderné hnacie prvky sú optimalizované pre rôzne úlohy. Pracujú  veľmi rýchlo a obzvlášť precízne. Výber hnacieho prvku zásadne rozhoduje o celkovom výkone lineárnej jednotky. Má vplyv ako na presnosť, rýchlosť a zaťažiteľnosť tak aj na náklady.

Môžeme rozlišovať nasledujúce hnacie prvky:

Řemenový pohon 

Remeňový pohon umožňuje vysoko dynamické pohyby a tým krátke časy cyklov.

U remeňových pohonov sa pohybuje tvarovo presne priliehajúci ozubený hnací remeň po motoricky poháňanej  remenici, ktorá je taktiež  ozubená. Táto kombinácia znemožňuje preklz a dovoľuje prenos veľkých síl. Sú možné rýchle zmeny smeru aj zrýchlenie veľkých hmotností.

Ozubený remeň sa skladá z oceľových lán, ktoré sú opláštené polyuretánom. To zaisťuje dlhú životnosť a tichý chod. Pretože remeň sám o sebe vykazuje nízku hmotnosť   vynakladá sa   len malá energia pre jeho vlastný pohyb.

Lineárne jednotky s remeňovým pohonom môžu byť realizované takmer v akejkoľvek dĺžke. Tak vznikajú lineárne jednotky, ktoré kombinujú veľkú  hnaciu  silu s dlhými dráhami pohybu. Poháňanie prebieha pri zmene smeru ozubeného remeňa. Ak je tento typ používaný vertikálne, je nutné zabezpečiť vhodné  opatrenia, aby vozík pri výpadku prúdu a pod. nekontrolovane nezišiel. Bez motorovej brzdy je možné ozubeným remeňom ľahko pohybovať, preto nie je schopný sám udržať svoju pozíciu.

Guličková skrutka

Guličková skrutka sa používa tam, kde je vyžadovaná veľká sila a presné polohovanie.

To je umožnené vďaka hnaciemu princípu: Základom guľôčkovej  skrutky je presné vreteno. Stúpanie závitu určuje rozhodujúcim spôsobom rýchlosť a presnosť polohovania. Na vretene sa nachádza neotáčavá matica, v ktorej sú umiestnené guľôčky. Tieto obiehajú v závite a pri otáčaní vretena vedú maticu v priamej osi. Pretože sú guličky nepatrne väčšie ako dráha, v ktorej sa pohybujú, vzniká predpätie, ktoré zaisťuje bezvôľový chod a únosnosť. Použitím vretena s väčším stúpaním môže guličková  skrutka vyvíjať väčšiu rýchlosť posuvu.

Dĺžka vretena obmedzuje rýchlosť jeho otáčania. V prípade vysokej hnacej rýchlosti by preto malo byť uprednostnené vreteno s väčším stúpaním.

Pri vertikálnom  použití  je zaručená vysoká bezpečnosť proti nekontrolovateľnému zídeniu matice: z dôvodu prevodového pomeru guľôčkovéj  skrutky nemusí pohon poskytovať veľké brzdné momenty.

Reťazový pohon

Reťazový pohon je odolný proti znečisteniu, môže prenášať vysoké sily a je tiež vhodný pre vertikálne pohyby. Robustné reťaze sú používané vtedy, ak sa vyžaduje najvyššia spoľahlivosť aj za nepriaznivých podmienok.

Podobne ako pri ozubenom  remeni  je krútiaci pohyb motora prevádzaný na uzavretú reťaz. Preklz tak nie je možný.

Lineárne jednotky s reťazovým pohonom prenášajú veľké sily v smere chodu, sú však obmedzené z pohľadu poziciovania a rýchlosti pohybu vďaka svojej konštrukcii. Reťazové pohony  preto ponúkajú výborné medze únosnosti, preto sú používané napr. u zdvíhacích dverí alebo v iných oblastiach vertikálneho použitia.

Pretože v prípade reťazového pohonu môže byť sila vďaka použitiu reťazových kolies v ľubovoľnom mieste lineárnej jednotky prevedená na otáčavý pohyb, je reťazový pohon vhodný najmä pre stavbu dopravníkových zariadení s prepravnými kladkami. V tejto oblasti použitia neexistuje takmer žiadna iná alternatíva.

Použitie reťaze s oceľovými článkami vyžaduje v porovnaní s inými lineárnymi jednotkami väčšie nároky na údržbu. Súčasne  je nutné dbať na dostatočné premazávanie aj na pravidelnú kontrolu napnutia reťaze.

Hrebeňový pohon

Hrebeňový pohon sa používa tam, kde je nevyhnutné bezpečné zdvíhanie veľkých záťaží aj vysoká presnosť opakovania. Hnané ozubené koleso zapadá bez akéhokoľvek preklzu do rovného hrebeňa. Točivý pohyb hnacieho motora je tak prevádzaný priamo do priameho pohybu vozíka.

Vďaka tomu existujú dve možnosti použitia: Buď je záťaž umiestnená na poháňanom ozubenom kolese a pohybuje sa spolu s ním alebo je súčasťou ozubeného hrebeňa a pohyb vykonáva s hrebeňom.

Hrebeňový pohon je robustný lineárny pohon, pomocou ktorého možno uvádzať do pohybu bremená o veľkej hmotnosti. Dokonca aj u dlhých dráh je dosahovaná vysoká  presnosť  polohovania, pretože sa hrebeň pri zaťažení nedeformuje.

Lineárne jednotky s hrebeňovým pohonom poskytujú bezpečný prenos sily aj pri vertikálnom použití.

Záver

V rámci tretej priemyselnej revolúcie bola ľudská pracovná sila stále viac nahradzovaná automatizáciou procesov. Lineárna technika preberá veľkú časť úloh automatizácie v priemysle. S lineárnym pohybom je možné skonštruovať spoľahlivé a vysoko výkonné viacosové manipulačné systémy, ktoré vykonávajú pohyby v priestore. Nekomplikovaná a rýchla konštrukcia takých lineárnych systémov viedla v priemysle k zvýšeniu kapacitných limitov a v dôsledku toho aj k zvýšeniu efektívnosti využitia.

Rozmanitosť hnacích technológií a systémov vedenia umožňuje firmám individuálny výber pre špeciálne požiadavky výroby. Pred nákupom systému by malo byť presne definované, aký význam pre výrobu majú faktory ako užitočné zaťaženie, dráha pohybu, presnosť opakovania alebo rýchlosť. Hnacie technológie a systémy vedenia by mali byť vyberané s ohľadom na príslušné požiadavky.

Celý systém pozostávajúci z lineárneho vedenia, pohonu a vozíka môže byť vhodne zostavený a zmontovaný z komponentov s ohľadom na účel použitia. Z dôvodu rastúceho zoštíhľovania výrobných procesov možno doporučiť lineárne  jednotky pripravené na inštaláciu, ktoré môžu byť bez náročnej konštrukcie a montáže ihneď priamo inštalované. Vďaka tomu nie sú potrebné žiadne špecializované vedomosti, napr. ako sa inštalujú hriadele alebo ozubené remene. To znižuje náklady a šetrí veľa času, ktorý by bol nutný pre zostavenie jednotlivých komponentov.

Výhľad

Dnes sa automatizácia nachádza pred ďalšou obrovskou zmenou. Pod heslom "Priemysel 4.0" znamená všeobecný nástup informačných a komunikačných technológií: prepojenie vecí, služieb a dát vo výrobe.

Razantný nástup internetu takmer vo všetkých oblastiach života vedie k novým možnostiam najmä v oblasti výroby. Prepojenie viacerých softvérových systémov, ktoré si vymieňajú informácie, a stále rastúce zhromažďovanie informácií vyjadrujú pojem "Big data". Kyber-fyzikálne systémy prepájajú prostredníctvom dátovej štruktúry všetky elementy, ktoré sa zúčastňujú výrobného procesu. Môžu tak byť v reálnom čase zaznamenané, spracované a vyhodnotené dáta a parametre všetkých komponentov zúčastnených vo  výrobe - ako nástroje, náradie, prevádzkové prostriedky, výrobky a stroje; parametre môžu byť automaticky novo stanovené.

Zaznamenávanie dát v reálnom čase a riadenie procesov online umožňujú ešte rýchlejšie reagovať na požiadavky zákazníkov a ekonomicky vyrábať vysoké počty variantov pri malých veľkostiach dávok. Nové, pre jednotlivých zákazníkov špecifické výrobky a firemné procesy, ktoré sú v konvenčnej výrobe dneška ešte nemysliteľné, sa stanú realitou.

Druhý diel našej bielej knihy na tému automatizácie v priemysle opisuje elektronické komponenty v celom systéme poháňané lineárne jednotky.