Tự động hóa sản xuất với hệ thống sản xuất linh hoạt-FMS

Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS-Flexible Manufacturing System) là một dạng tự động hóa linh hoạt trong đó một số máy công cụ được liên kết với nhau bằng hệ thống xử lý vật liệu và tất cả các khía cạnh của hệ thống được điều khiển bởi một máy tính trung tâm. FMS được phân biệt với một dây chuyền sản xuất tự động bởi khả năng xử lý đồng thời nhiều kiểu sản phẩm.

Tại bất kỳ thời điểm nào, mỗi máy trong hệ thống có thể đang xử lý một loại sản phẩm khác nhau. Một FMS cũng có thể đối phó với những thay đổi trong tổ hợp sản phẩm và lịch trình sản xuất khi các mẫu nhu cầu đối với các sản phẩm khác nhau được tạo ra trên hệ thống thay đổi theo thời gian. Các kiểu sản phẩm mới có thể được đưa vào sản xuất với FMS, miễn là chúng nằm trong phạm vi sản phẩm mà hệ thống được thiết kế để xử lý. Do đó, loại hệ thống tự động này là lý tưởng khi nhu cầu về sản lượng sản phẩm thấp đến trung bình và có khả năng thay đổi nhu cầu.

Các thành phần của hệ thống sản xuất linh hoạt FMS

(1) máy gia công, thường là máy công cụ CNC thực hiện các hoạt động gia công, mặc dù cũng có thể có các loại máy trạm tự động khác như trạm kiểm tra.

(2) hệ thống xử lý vật liệu, chẳng hạn như hệ thống băng tải công nghiệp, có khả năng phân phối các bộ phận công việc đến bất kỳ máy nào trong FMS

và (3) một hệ thống máy tính trung tâm chịu trách nhiệm giao tiếp các chương trình bộ phận NC cho từng máy và để điều phối các hoạt động của máy và hệ thống xử lý vật liệu. Ngoài ra, thành phần thứ 4 của FMS là con người lao động. Mặc dù hệ thống sản xuất linh hoạt thể hiện mức độ tự động hóa sản xuất cao, nhưng con người vẫn cần thiết để quản lý hệ thống, xếp dỡ các chi tiết, sản phẩm, thay đổi công cụ, dụng cụ và bảo trì và sửa chữa thiết bị.

Kiểm soát quy trình máy tính

Trong điều khiển sản xuất bằng máy tính, máy tính kỹ thuật số được sử dụng để chỉ đạo các hoạt động của một quá trình sản xuất. Mặc dù các hệ thống tự động khác thường được điều khiển bằng máy tính, nhưng thuật ngữ điều khiển công đoạn bằng máy tính thường được kết hợp với các hoạt động sản xuất liên tục hoặc bán liên tục liên quan đến các vật liệu như hóa chất, dầu mỏ, thực phẩm và một số kim loại cơ bản nhất định.

Trong các hoạt động này, các sản phẩm thường được xử lý ở dạng khí, lỏng hoặc bột để tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy của nguyên liệu qua các bước khác nhau của chu trình sản xuất. Ngoài ra, những sản phẩm này thường được sản xuất hàng loạt. Do dễ dàng xử lý sản phẩm theo lô, loạt lớn liên quan, mức độ tự động hóa cao đã được thực hiện trong các ngành công nghiệp này.

Hệ thống điều khiển công đoạn máy tính hiện đại thường bao gồm các yếu tố sau: (1) đo lường các biến số quan trọng của quá trình như nhiệt độ, tốc độ dòng chảy và áp suất, (2) thực hiện một số chiến lược tối ưu hóa , (3)hoạt động của các thiết bị như van, công tắc và lò nung cho phép quá trình thực hiện chiến lược tối ưu và (4) tạo báo cáo cho ban quản lý chỉ ra trạng thái thiết bị, hiệu suất sản xuất và chất lượng sản phẩm. Ngày nay điều khiển quá trình máy tính được áp dụng cho nhiều hoạt động công nghiệp, hai trong số đó được mô tả dưới đây.

Nhà máy chế biến hiện đại điển hình đều được điều khiển bằng máy tính. Trong một nhà máy hóa dầu sản xuất hơn 20 sản phẩm, cơ sở được chia thành ba khu vực, mỗi khu vực có một số đơn vị chế biến hóa chất . Mỗi khu vực có một máy tính điều khiển quá trình riêng để thực hiện các chức năng quét, kiểm soát và cảnh báo. Các máy tính được kết nối với một máy tính trung tâm theo cấu hình phân cấp. Máy tính trung tâm tính toán cách thu được năng suất tối đa từ mỗi quy trình và tạo báo cáo quản lý về hiệu suất của quy trình.

Mỗi máy tính quy trình giám sát tới 2.000 thông số được yêu cầu để kiểm soát quá trình, chẳng hạn như nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, áp suất, mức chất lỏng và nồng độ hóa chất. Các phép đo này được thực hiện trên cơ sở lấy mẫu. Thời gian giữa các mẫu dao động trong khoảng từ 2 đến 120 giây, tùy thuộc vào nhu cầu tương đối về dữ liệu.

Mỗi máy tính điều khiển khoảng 400 vòng điều khiển phản hồi. Trong hoạt động bình thường, mỗi máy tính điều khiển duy trì hoạt động của quy trình của nó ở hoặc gần mức hiệu suất tối ưu. Nếu các thông số của quá trình vượt quá phạm vi bình thường hoặc an toàn đã chỉ định, máy tính điều khiển sẽ kích hoạt đèn tín hiệu và còi cảnh báo và in thông báo chỉ ra bản chất của sự cố cho kỹ thuật viên. Máy tính trung tâm nhận dữ liệu từ các máy tính xử lý và thực hiện các tính toán để tối ưu hóa hiệu suất của từng đơn vị xử lý hóa chất.

Lợi thế kinh tế đáng kể thu được từ loại điều khiển máy tính này trong các ngành công nghiệp chế biến. Hệ thống phân cấp máy tính có khả năng tích hợp tất cả dữ liệu từ nhiều vòng điều khiển riêng lẻ tốt hơn nhiều so với khả năng con người có thể làm, do đó cho phép mức hiệu suất cao hơn. Máy tính có thể áp dụng các thuật toán điều khiển nâng cao để tối ưu hóa quy trình. Ngoài ra, máy tính có khả năng cảm nhận các điều kiện quy trình cho thấy hoạt động không an toàn hoặc bất thường nhanh hơn nhiều so với con người. Tất cả những cải tiến này giúp tăng năng suất, hiệu quả và an toàn trong quá trình quy trình hoạt động.

Giống như các ngành công nghiệp chế biến hóa chất, các ngành công nghiệp kim loại cơ bản (sắt thép, nhôm, v.v.) đã tự động hóa nhiều quy trình của chúng bằng sự điều khiển của máy tính. Giống như các ngành công nghiệp hóa chất, các ngành công nghiệp kim loại xử lý khối lượng lớn sản phẩm và do đó, có động lực kinh tế đáng kể để đầu tư vào tự động hóa. Tuy nhiên, kim loại thường được sản xuất theo lô hơn là liên tục, và nói chung khó xử lý kim loại ở dạng khối hơn là hóa chất chảy.

Một ví dụ về điều khiển quá trình máy tính trong ngành công nghiệp kim loại là cán các thỏi kim loại nóng thành các hình dạng cuối cùng như cuộn và dải. Điều này lần đầu tiên được thực hiện trong ngành công nghiệp thép, nhưng quá trình xử lý tương tự cũng được thực hiện với nhôm và các kim loại khác.

Trong một nhà máy thép hiện đại, cán nóng được thực hiện dưới sự điều khiển của máy tính. Quá trình cán liên quan đến việc hình thành một phôi kim loại nóng lớn bằng cách đi qua nó thông qua máy cán gồm một hoặc nhiều cặp trục cán ép kim loại để giảm tiết diện. Cần thực hiện một số lần để giảm dần phôi đến độ dày mong muốn. Các cảm biến và dụng cụ tự động đo kích thước và nhiệt độ của thỏi sau mỗi lần đi qua các cuộn, và máy tính điều khiển sẽ tính toán và điều chỉnh khe hở trục cán cho lượt cán kế tiếp.

Trong một nhà máy lớn, một số đơn đặt hàng cho các sản phẩm cán với các thông số kỹ thuật khác nhau có thể đến nhà máy vào bất kỳ thời điểm nào. Các chương trình điều khiển đã được phát triển để lập lịch trình tự và tốc độ mà các thỏi kim loại nóng được đưa qua các nhà máy cán. Nhiệm vụ kiểm soát sản xuất của việc lập lịch trình và theo dõi các đơn đặt hàng khác nhau đòi hỏi phải thu thập và phân tích dữ liệu lớn, nhanh chóng. Trong các nhà máy hiện đại, nhiệm vụ này đã được tích hợp hiệu quả với việc điều khiển máy tính các hoạt động của nhà máy cán để đạt được một hệ thống sản xuất tự động hóa cao .

Sản xuất tích hợp máy vi tính

Kể từ khoảng năm 1970, các công ty sản xuất ngày càng có xu hướng sử dụng máy tính để thực hiện nhiều chức năng liên quan đến thiết kế và sản xuất. Công nghệ liên quan đến xu hướng này được gọi là CAD / CAM, dành cho thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính và sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính. Ngày nay, người ta đã thừa nhận rộng rãi rằng phạm vi ứng dụng máy tính phải mở rộng ra ngoài thiết kế và sản xuất để bao gồm các chức năng kinh doanh của công ty. Tên được đặt cho việc sử dụng máy tính toàn diện hơn này là sản xuất tích hợp máy tính (CIM).

CAD / CAM dựa trên khả năng của một hệ thống máy tính để xử lý, lưu trữ và hiển thị một lượng lớn dữ liệu đại diện cho các thông số kỹ thuật của bộ phận và sản phẩm. Đối với các sản phẩm cơ khí, dữ liệu đại diện cho các mô hình đồ họa của các thành phần; đối với các sản phẩm điện, chúng đại diện cho thông tin mạch điện; v.v. Công nghệ CAD / CAM đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm các thành phần gia công, các sản phẩm điện tử , và thiết kế và chế tạo thiết bị cho quá trình xử lý hóa chất. CAD / CAM không chỉ liên quan đến tự động hóa các hoạt động sản xuất mà còn tự động hóa các yếu tố trong toàn bộ quy trình thiết kế và sản xuất.

Thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD) sử dụng các hệ thống máy tính để hỗ trợ việc tạo, sửa đổi, phân tích và tối ưu hóa thiết kế. Người thiết kế, làm việc với hệ thống CAD thay vì bảng soạn thảo truyền thống , tạo ra các đường và bề mặt hình thành đối tượng (sản phẩm, bộ phận, cấu trúc, v.v.) và lưu trữ mô hình này trong cơ sở dữ liệu máy tính. Bằng cách gọi phần mềm CAD thích hợp, nhà thiết kế có thể thực hiện các phân tích khác nhau trên đối tượng, chẳng hạn như tính toán truyền nhiệt . Thiết kế đối tượng cuối cùng được phát triển khi các điều chỉnh được thực hiện trên cơ sở các phân tích này. Khi thủ tục thiết kế đã được hoàn thành,hệ thống thiết kế hỗ trợ máy tính có thể tạo ra các bản vẽ chi tiết cần thiết để tạo ra đối tượng.

Sản xuất có sự hỗ trợ của máy tính (CAM) liên quan đến việc sử dụng các hệ thống máy tính để hỗ trợ việc lập kế hoạch, kiểm soát và quản lý các hoạt động sản xuất. Điều này được thực hiện bằng kết nối trực tiếp hoặc gián tiếp giữa máy tính và các hoạt động sản xuất. Trong trường hợp kết nối trực tiếp, máy tính được sử dụng để giám sát hoặc kiểm soát các quá trình trong nhà máy.

Giám sát quá trình bằng máy tính gồm thu thập dữ liệu nhà máy, phân tích và báo cáo kết quả cho cấp quản lý. Các biện pháp này làm tăng hiệu quả của các hoạt động của nhà máy. Điều khiển quá trình bằng máy tính đòi hỏi việc sử dụng hệ thống máy tính để thực hiện các hành động điều khiển để vận hành nhà máy một cách tự động, như đã mô tả ở trên.

Các kết nối gián tiếp giữa hệ thống máy tính và quy trình liên quan đến các ứng dụng trong đó máy tính hỗ trợ các hoạt động sản xuất mà không thực sự giám sát hoặc kiểm soát chúng. Các ứng dụng này bao gồm các chức năng lập kế hoạch và quản lý có thể được thực hiện bởi máy tính (hoặc bởi con người làm việc với máy tính) hiệu quả hơn so với chỉ con người.

Ví dụ về các chức năng này là lập kế hoạch các quy trình từng bước cho sản phẩm, lập trình bộ phận trong điều khiển số và lập kế hoạch cho các hoạt động sản xuất trong nhà máy.

Sản xuất tích hợp máy tính bao gồm tất cả các chức năng kỹ thuật của CAD / CAM và cả các chức năng kinh doanh của công ty. Các chức năng kinh doanh này bao gồm nhập đơn đặt hàng, hạch toán chi phí, ghi chép thời gian của nhân viên và tính lương, và thanh toán cho khách hàng.

Trong một hệ thống CIM lý tưởng, công nghệ máy tính được áp dụng cho tất cả các chức năng vận hành và xử lý thông tin của công ty, từ đơn đặt hàng của khách hàng thông qua thiết kế và sản xuất (CAD / CAM) đến vận chuyển sản phẩm và dịch vụ khách hàng. Phạm vi của hệ thống máy tính bao gồm tất cả các hoạt động liên quan đến sản xuất. Theo nhiều cách, CIM thể hiện mức độ tự động hóa cao nhất trong sản xuất.

Các ứng dụng của điều khiển số trong sản xuất và tự động hóa

Nhiều ứng dụng của điều khiển số đã được phát triển kể từ khi nó được sử dụng ban đầu để điều khiển máy công cụ, máy gia công NC, CNC. Các máy khác sử dụng điều khiển số bao gồm máy inserting(máy cắm linh kiện) được sử dụng trong lắp ráp điện tử, máy vẽ (plotter) bản vẽ kỹ thuật, máy đo tọa độ thực hiện kiểm tra chính xác các chi tiết, máy cắt plasma và các thiết bị tương tự.

Trong các ứng dụng này, thuật ngữ điều khiển số không phải lúc nào cũng được sử dụng một cách rõ ràng, nhưng nguyên tắc hoạt động là giống nhau: dữ liệu số được mã hóa được sử dụng để điều khiển vị trí của một công cụ hoặc đầu gia công so với một số đối tượng.

Để minh họa các ứng dụng thay thế này của điều khiển số, máy inserting sẽ được xem xét ở đây. Một máy như vậy được sử dụng để định vị các linh kiện điện tử (ví dụ: mô-đun chip bán dẫn) trên một bảng mạch in (PCB). Về cơ bản nó là một bảng định vị x – y di chuyển bảng mạch in so với đầu cắm linh kiện.Sau đó đặt linh kiện riêng lẻ vào vị trí trên bảng.

Một bảng mạch in điển hình có hàng chục linh kiện riêng lẻ phải được đặt trên bề mặt của nó; nhiều trường hợp dây dẫn của linh kiện phải luồn vào các lỗ nhỏ trên bo mạch, đòi hỏi máy cắm linh kiện có độ chính xác cao. Chương trình điều khiển máy cho biết linh kiện nào sẽ được đặt trên bo mạch và vị trí của chúng. Thông tin này được chứa trong cơ sở dữ liệu thiết kế sản phẩm và thường được truyền trực tiếp từ máy tính đến máy cắm linh kiện bảng mạch.

Tự động hóa dạng tổ hợp với điều khiển số

Các hoạt động lắp ráp theo truyền thống thường được thực hiện thủ công, tại các máy trạm lắp ráp đơn lẻ hoặc trên dây chuyền lắp ráp có nhiều trạm. Do hàm lượng lao động cao và chi phí lao động thủ công cao, trong những năm gần đây, người ta đã chú trọng nhiều hơn đến việc sử dụng tự động hóa cho công việc lắp ráp. Các hoạt động lắp ráp có thể được tự động hóa bằng cách sử dụng nguyên tắc dây chuyền sản xuất nếu số lượng lớn, sản phẩm nhỏ và thiết kế đơn giản (ví dụ: bút chì cơ, bút mực và bật lửa). Đối với các sản phẩm không thỏa mãn các điều kiện này, thường phải lắp ráp thủ công.

Máy lắp ráp tự động đã được phát triển hoạt động theo cách tương tự như dây chuyền gia công, với sự khác biệt là các hoạt động lắp ráp, thay vì gia công, được thực hiện tại các máy trạm. Một máy lắp ráp điển hình bao gồm một số trạm, mỗi trạm được trang bị nguồn cung cấp linh kiện và cơ cấu đưa các thành phần vào vị trí để lắp ráp. Đầu công tác tại mỗi trạm thực hiện thao tác ghép linh kiện. Các đầu công việc điển hình bao gồm tua vít tự động, máy đóng đinh hoặc đinh tán, đầu hàn và các thiết bị ghép nối khác. 

Một linh kiện mới được thêm vào sản phẩm đã hoàn thành một phần ở mỗi máy trạm, do đó xây dựng sản phẩm dần dần khi nó tiến hành trong dây chuyền. Máy lắp ráp loại này được coi là ví dụ của tự động hóa cố định, bởi vì chúng thường được định cấu hình cho một sản phẩm cụ thể được sản xuất với khối lượng lớn. Máy lắp ráp có thể lập trình được đại diện bởi các máy cắm chân linh kiện được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử, như được mô tả ở trên.

Các ứng dụng tự động hóa sản xuất với robot

Các ứng dụng tự động hóa sản xuất với robot có thể được chia thành ba loại: (1) xử lý vật liệu, (2) hoạt động theo quy trình, và (3) lắp ráp và kiểm tra.

Các ứng dụng xử lý vật liệu bao gồm chuyển vật liệu và xếp dỡ máy móc . Các ứng dụng chuyển vật liệu yêu cầu robot di chuyển vật liệu hoặc các chi tiết, sản phẩm làm việc từ vị trí này sang vị trí khác. Nhiều nhiệm vụ trong số này tương đối đơn giản, đòi hỏi robot phải lấy các chi tiết, linh kiện từ băng tải này và đặt chúng lên băng tải khác.

Các hoạt động transfer khác phức tạp hơn, chẳng hạn như đặt các linh kiện lên pallet theo một cách sắp xếp mà robot phải tính toán. Hoạt động xếp dỡ của máy sử dụng rô bốt để tải và dỡ các thùng, kiện hàng, sản phẩm của máy sản xuất. Điều này đòi hỏi robot phải được trang bị một bộ kẹp có thể nắm chắc các sản phẩm cần nâng. Thông thường bộ kẹp phải được thiết kế đặc biệt cho hình học của sản phẩm cụ thể. Đây là ứng dụng pick and place, Robotic Palletizing với robot xếp hàng lên pallet.

Trong các ứng dụng hoạt động xử lý của rô bốt, robot điều khiển một công cụ để thực hiện một quy trình trên sản phẩm làm việc. Ví dụ về các ứng dụng như vậy bao gồm hàn điểm, hàn hồ quang liên tục(robot hàn) và phun sơn(robot sơn). Hàn điểm-spot welding thân ô tô là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của robot công nghiệp ở Hoa Kỳ.

Robot định vị một hoặc nhiều đường hàn tại chỗ trên các tấm và khung ô tô để hoàn thành việc lắp ráp thân xe cơ bản.Hàn hồ quang là một quá trình liên tục, trong đó robot di chuyển que hàn dọc theo đường hàn cần hàn hoặc theo biên dạng, hành trình hàn đã được lập trình trước. Có thể được kết hợp với các robot khác làm nhiệm vụ định vị và xoay sản phẩm với quy trình hàn đa điểm, đa đường.

Xịt sơn-spray painting bao gồm thao tác sử dụng súng phun sơn trên bề mặt của vật thể cần sơn. Các hoạt động khác trong danh mục này bao gồm mài, đánh bóng, phay biên dạng, trong đó trục chính quay là dụng cụ gắn trên robot.

Lĩnh vực ứng dụng thứ ba của robot công nghiệp là lắp ráp và kiểm tra. Việc sử dụng robot trong lắp ráp dự kiến ​​sẽ tăng lên do chi phí lao động thủ công phổ biến trong các hoạt động này cao. Vì rô bốt có thể lập trình được, một chiến lược trong công việc lắp ráp là sản xuất nhiều kiểu dáng sản phẩm theo lô, lập trình lại các rô bốt giữa các lô. Một chiến lược thay thế là sản xuất hỗn hợp các kiểu dáng sản phẩm khác nhau trong cùng một ô lắp ráp, yêu cầu mỗi robot trong ô phải xác định kiểu dáng sản phẩm khi nó đến và sau đó thực hiện nhiệm vụ thích hợp cho đơn vị đó. Để làm được điều này, robot thường được tích hợp máy quét barcode nhận diện sản phẩm hoặc camera-giải pháp vision kèm theo.

Các thiết kế của sản phẩm là một khía cạnh quan trọng của lắp ráp robot. Các phương pháp lắp ráp phù hợp với con người không nhất thiết phải phù hợp với rô bốt. Ví dụ, sử dụng vít và đai ốc làm phương pháp siết chặt, dễ dàng thực hiện trong lắp ráp thủ công, nhưng thao tác tương tự lại cực kỳ khó khăn đối với rô bốt một tay.

Các thiết kế trong đó các linh kiện, chi tiết máy sẽ được thêm vào từ cùng một hướng bằng cách sử dụng khớp nối và các quy trình thắt chặt một bước khác cho phép hoàn thành công việc dễ dàng hơn nhiều bằng các phương pháp lắp ráp tự động và robot.

Kiểm tra (inspection) là một lĩnh vực hoạt động khác của nhà máy, trong đó việc sử dụng robot ngày càng tăng. Trong một công việc kiểm tra điển hình, robot đặt một cảm biến đối với chi tiết làm việc và xác định xem linh kiện đó có phù hợp với các thông số kỹ thuật chất lượng hay không.

Trong hầu hết các ứng dụng robot công nghiệp, robot cung cấp sự thay thế cho sức lao động của con người. Có một số đặc điểm nhất định của các công việc công nghiệp do con người thực hiện xác định công việc đó là một ứng dụng tiềm năng cho rô bốt:

(1) hoạt động lặp đi lặp lại, liên quan đến các chuyển động công việc cơ bản giống nhau trong mỗi chu kỳ; 

(2) hoạt động nguy hiểm hoặc không thoải mái cho người lao động ( ví dụ: sơn phun, hàn điểm, hàn hồ quang, và một số công việc xếp dỡ máy móc); 

(3) nhiệm vụ yêu cầu một bộ phận công việc hoặc công cụ nặng nhọc và khó xử lý; 

và (4) hoạt động cho phép robot được sử dụng trong 2 hoặc 3 ca.