Gyártásautomatizálás
Gyártásautomatizálás
Az automatizálás kezdetei már a régi görögöknél is megtalálhatók. Alexandriában i.e. 250 évvel Kteszibiosz önműködő vízi órát, majd Héron (folyadékszint-szabályozást alkalmazva) borkimérő automatát készített. Ezeket az automatákat, önműködő szerkezeteket – középkori utódaik többségéhez hasonlóan – elmés, szórakoztató különlegességeknek tartották. A termelésben nem volt jelentős szerepük, hiszen amíg a munkavégzés fő energiaforrása maga az ember – gondolták -, ugyanő elvégezheti a munka irányítását is. Automatikus irányítás akkor vált szükségessé, amikor az izomerőt felváltották a gőzgépek. Az automatizálás ipari elterjedése tehát egyidős az ipari forradalommal.
Newcome atmoszferikus gőzgépén (1711) még gyerekek nyomogatták a gőz- és hidegvízcsapot a szivattyút hajtó gép egyenletes működéséhez. Állítólag egy Potter nevű fiú ismerte fel, hogy a csapokat a dugattyú mozgásának ütemében kell nyitni és zárni, s ha a csapokat összeköti a géppel, akkor az önmagát vezérli.
James Watt 1784-ben készített kettős működésű gőzgépén felfedezhetjük az első jellegzetes megoldásokat. Potter alapötletét felhasználva tolattyú gondoskodott a folyamatos működésről úgy, hogy mozgását a lendkerék vezérelte karos-csuklós mechanizmus közvetítésével. A gőzvezetékbe iktatott szabályozószelepet sem kézzel állították – röpsúlyos centrifugál-szabályozó állandósította az előírt működési sebességet.
Ez a példa egyben az automatizálás két fő fejlődési irányának elemeit is tartalmazza. Az egyik tárgyak mozgatása különböző mechanizmusok segítségével (a továbbiakban diszkrét technológiai folyamatok, gyártásautomatizálás). A másik: folytonos anyag- és energiaáramok mennyiségének változtatása egyszerű egyenes vonalú vagy forgó mozgással működő beavatkozó szerv, pl. szabályozószelep segítségével (a továbbiakban folytonos technológiai folyamatok – folyamatszabályozás).
A fejlődés kezdetben az első irányban volt gyorsabb. Az angol Maudsly 1797-ben elkészítette az első vonóorsóval mozgatott késtartószános esztergát (előtte kézben tartott késsel forgácsoltak), s ezzel megalkotta mai szerszámgépeink ősét. 1880-ra kialakultak a szerszámgépek alaptípusai: az esztergán kívül a gyalu-, a fúró-, a maró- és köszörűgépek, valamint a forgácsolás mellett az alakítás gépei – prések, sajtók. A század második felére tömegessé vált a szerszámgépek alkalmazása: azaz gépek előállítása gépekkel.
A 20. század elején a központi erőgépet és az ahhoz kapcsolódó transzmissziós rendszert felváltották a szerszámgépekbe egyedileg beépített villanymotorok. Megjelentek a tömeggyártásra specializált típusok, félautomaták, pl. a vezértárcsával irányított hossz- és revolverautomaták. A haditechnikában megjelentek a hidraulikus szervo- (követő-) szabályozások, pl. légvédelmi ütegek, lokátorok irányzására, lövegek célratartására hajókon, harckocsikban. A két világháború között e szervoberendezésekkel készültek a precíziós másolóesztergák.
A teljesítmények növekedésére jellemző, hogy míg 1920-ban az Egyesült Államok egyik gyárában 162 szerszámgép óránként 108 hengerfej síkramarását végezte el, 1940-ben ehhez már csak 6 gép kellett, 1952-re pedig egyetlen gép teljesítménye 137 db/órára nőtt.
Az angliai Morris Motors gyárban 1924-ben elkészül az első gyártósor hengerfejek gyártására. Ettől kezdve az 50-es évekig a gépgyártás automatizálását a szabványosítás, az adott termékek tömeggyártására specializált, azaz mereven automatizált gyártósor jellemezte – elsősorban a gépkocsiiparban és a hadiiparban.
A vegyiparban, kőolajiparban ma már szinte kizárólag folytonos technológiai folyamatokat alkalmaznak, de a múlt század második harmadáig a különálló edényekben végzett, főleg kézzel irányított szakaszos feldolgozás jellemezte ezt az iparágat. A folytonos feldolgozást először a kőolaj lepárlásában, a lepárlóüstök sorbakapcsolásával valósították meg (1888, Baku), ami megkövetelte a feldolgozási folyamat jellemzőinek (hőmérséklet, nyomás) pontos betartását, automatikus szabályozását.
Kezdetben segédenergia nélküli, azaz a szabályozott közeg energiájával működő helyi szabályozókat alkalmaztak a folyadékszint, nyomás, áramlási sebesség, hőmérséklet előírt értéken tartására. Később a mechanikus szerkezetek mellett itt is megjelentek a hidraulikus, majd pneumatikus segédenergiával működő rendszerek. Ezek lehetővé tették a mért jelek továbbítását központi vezérlőtermekbe, valamint a beavatkozószervek, szabályozószelepek távműködtetését ugyaninnen. Szükségtelenné vált az emberek állandó jelenléte a termelőberendezések mellett. A gépgyártásban viszont még nem hiányozhattak az emberek a gyártósorok mellől.
Mindkét területen a számítógép megjelenése (1943) és az elektronika fejlődése hozott gyökeres fordulatot. Az 50-es évek végére tehetők a számítógépes folyamatirányítás megvalósítására irányuló első kísérletek. Az elektronika fejlődésével, a tranzisztor, az integrált áramkör, a nagy, majd az igen nagy integráltságú áramkörök (IC, LSI, VLSI) megjelenésével nőtt a berendezések megbízhatósága és bővültek képességeik. (A fejlődést jól szemlélteti a világ kohászati célú számítógép-felhasználása: 1967-ben 62 db, 1968-ban 255 db, 1970-ben 2000-2500 db. Napjainkban pedig nagyobb folytonos technológiai folyamatot nem létesítenek számítógépes irányítás nélkül. Természetes, hogy itt embereket csak a központi vezérlőben látni – kivéve a javítási, karbantartási időszakokat. A folytonos technológiai folyamatok terén már megvalósultak az „ember nélküli” gyárak).
A folytonos technológiai folyamtoknál az automatizálás lehetővé tette az egyre nagyobb kapacitású termelési egységek létesítését, a tömeggyártás bővülését. Ugyanakkor: a diszkrét gyártási folyamatoknál – elsősorban a gépgyártásban – a tömeggyártás nem csökkentette lényegesen a kis sorozatú gyártás iránti igényeket. Sőt: ennek részaránya fokozatosan nő, mivel a fogyasztói-felhasználói igének egyre sokrétűbbek és gyorsan változnak, a műszaki lehetőségek bővülnek. A tömeggyártáshoz kifejlesztett, mereven automatizált transzfersorok viszont nem adaptálhatók gazdaságosan a kis sorozatú gyártáshoz. Gyökeresen új eszközrendszer kidolgozására volt szükség, melyet összefoglalóan programozható automatizálásnak nevezünk. Ez kiterjed a gyártás egész folyamatára, a terméktervezéstől a gyártásig és a teljes termelési folyamat átfogó irányításáig. Főbb elemei a számjegyes vezérlésű szerszámgépek (NC, DNC, CNC), az ipari robotok, a rugalmas gyártócellák és az őket összekötő anyagkezelő és információkezelő rendszerek. A végcél az Integrált Anyag- és Adatfeldolgozó Rendszerek (IAAR) munkába állítása.
Az első számjegyes vezérlésű szerszámgépet a 40-es évek végéig az Egyesült Államok légiereje számára fejlesztették ki, bonyolult felületű alkatrészek előállítására. 1956-ban már kb. 100 ilyen szerszámgépet használt a repülőgépipar, és Európában is megjelentek az első példányok. Az NC-technika lényege az, hogy a szerszám mozgási pályáját – később a szerszámgép egyre több kiegészítő funkcióját is – számjegyes formában állítják elő. E program tárolható lyukszalagon, mágneses kazettán vagy számítógép memóriájában, és innen vihető be a szerszámgép vezérlésére. Az átprogramozást a programok kicserélése jelenti. Az NC-szerszámgépek mellett feleslegessé vált a szakmunkás, de változatlanul szükség van olyan egyszerű kiszolgálási műveletekre, mint az alkatrészek behelyezése és kivétele, szerszámok cseréje, forgácseltávolítás, vagyis az ember különleges szakértelmet nem igénylő manipulációs, tárgymozgató és érzékelési képességeire. Ezek helyettesítését célozza a robottechnika fejlesztése.
Az első mai értelemben vett ipari robot az Egyesült Államokban készült (az 50-es évek közepén) az NC-technika, a hidraulikus szervoberendezések és a korábban a nukleáris technikában használt kézi vezérlésű manipulátormechanizmusok kombinálásával. A programozható manipulátor prototípusát 1961-ben alkalmazták sikerrel a General Motors egyik üzemében, fémfröccsöntőgép kiszolgálásához. A japán Kawasaki cég 1968-ban megvásárolta e robotgyártás licencét, s ettől számítható Japán bekapcsolódása , majd élre törése a robottechnikában.
A 70-es évek végéig gyártott és kiterjedten alkalmazott robotok nem rendelkeztek érzékelő, alkalmazkodó képességekkel, ezért többségüket – az eredeti céltól eltérően – a tömeggyártásban „félkész célberendezésként” alkalmazták. Viszonylag egyszerűen beállíthatták őket az adott gyártósorba, s feladatok a kezdeti beprogramozás után hosszú ideig nem változott.
A szerszámgépet kiszolgáló, tehát a munkadarabot mozgató robotok mellett megjelentek a megmunkáló, azaz immár a szerszámot mozgató robotok is. Ilyenek pl. a festésre, pont- és ívhegesztésre, ragasztásra, sorjázásra, polírozásra, valamint szerelésre használt változatok. E típusok elsőként a személygépkocsi-gyártásban terjedtek el tömegesen. A számítógépes termelésirányítás bevezetése mellett nekik köszönhető, hogy a korábban csak egyetlen típus gyártására alkalmas transzfersorokat sikerült rugalmasabbá, számos változat készítésére alkalmassá tenni. Az iparban felhasználatos robotok fejlesztésével egyidejűleg folyt a különleges rendeltetésű robotmanipulátorok fejlesztése (pl. űrkutatás, tengerészet, tűzvédelem, bányászat). Az eredmények szintéziséből fejlesztett robotokat napjainkban olyan területeken alkalmazzák, mint a mezőgazdaság, a gyógyászat, a háztartás, a kereskedelem. A robottechnika eszközei és módszerei (intelligens érzékelés, adaptív irányítás) új gyártmányokba épülnek be (pl. a számítógépes perifériákba, járművekbe, de gyermekjátékokba is.
A világ szerszámgéptermelése (Mrd USD)
Hat fejlett tőkés ország %-os részesedése a számjegyvezérlésű szerszámgéptermelésből (a vizsgált hat ország együtt: 100,0%)
NC-szerszámgépek becsült száma és az évi növekedés
Számjegyvezérlésű (NC-CNC) gépek termelése, 1983
Számítógéppel segített tervezés (CAD) becsült világpiaci forgalma területenként (millió USD)
A különleges robotok Japánban várható alkalmazása (a tokiói Waseda Egyetem vizsgálata)
Az alkalmazott robotok országonkénti megoszlása
Robotsűrűség néhány országban 1986 végén (1983-as munkáslétszámra vonatkoztatva)
