Tieto aspekty nie sú len potrebné, ale sú stále viac vyžadované klientmi z priemyslu, ktorí chcú inštalovať nové tepelné systémy alebo chcú rozšíriť či posilniť existujúce postupy vo svojich výrobných prevádzkach. V podobnej situácii sa ocitol globálny výrobca pôsobiaci v leteckom priemysle, ktorý potreboval vyriešiť špecifickú zákazku na systém plne automatizovaného tepelného spracovania a manipulácie s materiálom. Výrobca po diskusii so spoločnosťou O'Brien & Gere o ich tepelnom riešení DentonTSI ™ predstavil svoje požiadavky: ako dodávateľ súčiastok pre lietadlá musia všetky nové procesy spĺňať požiadavky AMS-2750 (Aerospace Material Specification 2750) a musia byť schopní získať akreditáciu certifikačného programu NADCAP (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program).
Ďalšiu výzvu predstavovala ručná prevádzka už existujúceho procesu. Dvaja pracovníci museli manuálne presúvať diely s hmotnosťou 22 KG do pece s teplotou 1200°C. Ak dosiahla pec predpísanú teplotu, zamestnanci museli diely vybrať z pece pomocou klieští a presunúť ich do kaliacej jednotky na rýchle schladenie. Pri manuálnom presune z pece do procesu kalenia sa však zo súčiastok strácalo teplo. Cieľom modernizácie bolo zvýšenie bezpečnosti, zmiernenie ohrozenia zdravia zamestnancov, zníženie času operácií a v neposlednom rade zvýšenie kvality. Globálny výrobca sa rozhodol využiť integrované riešenie DentonTSI ™ vrátane kaliacej jednotky a plne automatizovaného systému zberu dát a riadenie.
Nový systém bol navrhnutý tak, aby dopĺňal existujúce procesy a inštalácia mala byť zrealizovaná vo výrobnom závode zákazníka v Ázii. Táto prevádzka už bola kompatibilná s AMS-2750 a mala šancu získať certifikáciu NADCAP. Integrácia štandardného vybavenia a vlastného vybavenia s kompletnou automatizáciou bola pridanou hodnotou celého projektu. Automatizácia znížila riziko popálenia a eliminovala manipuláciu s ťažkými bremenami presunom manuálnej práce na robotickú bunku. Výsledkom striktne dodržiavaných časov presunov medzi kaliacimi jednotkami a pecou bola konzistentná spoľahlivosť procesu.
Uniformita produktov a systémová účinnosť
Aby bolo možné navrhnúť vlastné integrované riešenie tepelného spracovania a kalenia, je potrebné presne ohodnotiť existujúci výrobný proces. Proces tepelného spracovania, pri ktorom sa zahrieva kovová súčiastka v ochrannej atmosfére (ešte pred presunom do kaliacej jednotky), sa komplikuje súčiastkami rôznych tvarov a veľkostí. Počas kalenia musí byť každá súčiastka prechádzajúca cez proces skontrolovaná z pohľadu interakcie s každým komponentom. Implementáciou vysokého stupňa automatizácie je z rovnice odstránená ľudská variabilita. Konečným výsledkom je zlepšenie jednotnosti produktu a celkovej účinnosti systému. Pre tohto priemyselného výrobcu bolo od začiatku jasné, že diely musia prechádzať kalením „v jednom kuse“, aby bolo možné zbierať údaje a generovať zostavy o sériových dieloch, ktoré spĺňajú požiadavky klienta.
Pri určovaní technických potrieb vybavenia sa skontroluje každá časť, aby sa zabezpečilo, že takto široký sortiment môže fungovať na komerčne dostupných zariadeniach. Inak by bolo potrebné vyvinúť vlastné zariadenie. Hlavné komponenty systému DentonTSI ™ tvorí podávací dopravník, robot, hlava robota s výmenníkom nástrojov, pec, kaliaca jednotka a výstupný umývací dopravník (obr. 1). Na základe preskúmania existujúceho procesu mohli použiť vstupný dopravník, robot a výstupný umývací dopravník len s minimálnymi úpravami. Zostávajúce komponenty sa dali jednoducho prispôsobiť a ľahko spolupracovali už s existujúcimi prvkami. Podávací dopravník nebol ničím výnimočný, bol to štandardný dopravník s univerzálnymi doskami.
Do každej dosky pridaný krúžok umožnil operátorom jednoducho vycentrovať jednotlivé dosky. Po vycentrovaní obsluha jednoducho stlačí tlačidlo a pošle súčiastky do procesu. Precízny mechanizmus štart-stop umožnil konzistentné polohovanie a presúvanie súčiastok robotom. Do projektu vybrali robot FANUC R-2000iB/210F kvôli jeho kompaktnej veľkosti a nosnosti (potrebnej na splnenie požadovanej doby cyklu procesu). Vzhľadom nato, že hlava robota manipuluje so súčiastkou o hmotnosti od 2,3 Kg do 23 Kg v teplom aj v studenom stave bez zmeny nástroja, museli vybrať špeciálne nahrnutý servopohon. Servopohon poskytuje spätnú väzbu polohy a krútiaceho momentu, čiže dokáže jemne dolaďovať proces pre jednotlivé súčiastky a vie sa vyrovnať s veľkostnými rozdielmi dielov pri prechode z teplého do chladného stavu. Do navrhnutého výrobného procesu sa najviac hodila rotačná pec.
Riadiaci systém môže s viacerými pozíciami automaticky optimalizovať proces podľa požiadaviek na ohrev a kalenie. Karuselové pece tradične využívajú olej na utesnenie pece pred prístupom vzduchu. Počas pretlaku sa pri tomto tesnení olej často vylial na podlahu a vzniklo nežiaduce riziko požiaru. Použitím rotačnej pece DentonTSI ™ s utesnenou základňou odstránili problém s olejom. Rýchle zotavenie prostredia po pridaní alebo odobratí súčiastky z pece je ďalšou dôležitou vlastnosťou, ktorú treba brať do úvahy pri teplotnom spracovaní. V existujúcom výrobnom procese sa používala komorová pec, v ktorej vyrovnanie atmosféry trvalo viac ako päť minút.
V karuselových peciach sa nachádzajú súčiastky v rozdielnych teplotných cykloch. Keďže veľké teplotné výkyvy sú neprijateľné, nový dizajn systému umožnil voliteľné vzduchové prúdenie pri otváracích cykloch. V špeciálnych prípadoch je operátor schopný prispôsobiť prietok a dobu trvania. Univerzálny doskový systém zabezpečuje jednotné kalenie celého radu produktov s minimálnou výmenou nástrojov tak, aby dokázal meniť nástroje pre jednotlivé súčiastky. Vďaka tejto konštrukcii je výmena nástrojov veľmi jednoduchá. Vzhľadom na malú veľkosť jednotky a požadovaný rovnomerný prietok vybrali eduktory namiesto tradičného miešacieho systému často používaného v kaliacich nádržiach.
Eduktory sú v nádrži umiestnené tak, aby poskytovali rovný prietok pri zachovaní malej veľkosti nádrže. Prietok sa dá upravovať. Užívatelia môžu meniť stupeň kalenia na základe konkrétnych geometrických potrieb. Táto konštrukcia so systémom zohrievania a chladenia olejom, udržuje teplotou bez ohľadu na veľkosť a hmotnosť súčiastky. V poslednom kroku procesu prenáša robot súčiastky na umývací dopravník a odstránia zvyšky chladiaceho oleja.
Integrácia riadiaceho systému pre kompletnú automatizáciu
Keďže bol vývoj systému pre manipuláciu s materiálom s integrovaným tepelným systémom v plnom prúde, prišiel čas na automatizáciu riadiaceho systému bunky. Do výrobného procesu implementovali inteligentný robotický systém, ktorý zvýšil bezpečnosť, kvalitu a účinnosť výroby. Výber a začlenenie robota do projektu a nie manipulátora vlastného dizajnu, znížili čas potrebný na projektovanie a testovanie pri uvedení systému do prevádzky (obr. 2).
V automatizovanom systéme sa použilo:
- Honeywell Flame Safety
- Allen Bradley Guard Logix
- PanelView Plus V6
- FANUC R2000iB/210F
Vysokou prioritou klienta bola bezpečnosť a realizačný tím splnil bezpečnostné požiadavky NFPA 86 a RIA R15.06. GuardLogix od spoločnosti Rockwell Automation ponúkol v SIL-3 integrované riadenie pohybu, podporu koncových spínačov dverí, ohňovzdorné tlačidlo núdzového zastavenia. Pri navrhovaní kľúčového systémového komponentu – koncového upínania – musel realizačný tím zvažovať rôzne alternatívy. Pri malý sériách boli nutné iba minimálne zmeny na zvýšenie efektivity. Diely, ktoré sú vo väčšine prípadov guľatého tvaru, prichádzajú do procesu s maximálnym vonkajším priemerom 20 cm. Koncový upínací nástroj musel uchopiť celé spektrum súčiastok, a preto použili servopohon. Servophon znižuje aj čas uchopenia a pohybu.
Nakoniec vyvinuli rozsiahly systém zberu dát kritických parametrov procesov tak, aby spĺňal požiadavky na certifikáciu NADCAP. Systém zaznamenáva výrobné informácie – ako je teplota, obsah uhlíka, pozícia a poloha súčiastok, z ktorých sa generujú správy spĺňajúce normu AMS-2750. Okrem toho, že sa zachová kvalita procesov, prevádzkové údaje môžu byť použité na zlepšenie prevádzkyschopnosti a na presnejšie plánovanie údržby. Systém tepelného spracovania a manipulácie s materiálom bol navrhnutý, zostavený a otestovaný spoločnosťou O'Brien & Gere v ich vývojovom a technologickom centre v New Yorku. Všetko dodatočné vybavenie, ako pec, kaliaca jednotka, práčka a robot, bolo inštalované a testované ako jedno zariadenie. Najprv overili funkčnosť a operátorské rozhrania, následne systém rozmontovali a dodali do výrobného závodu v Ázii.
Záver
Kľúčom k zvýšeniu produktivity, udržaniu kvality a uniformity výrobkov pri procese tepelného spracovania sú bezpečné a nákladovo efektívne procesy. Integrované riešenia s plne automatizovanými teplotnými systémami sú stále viac populárne – hlavne pre spracovateľský priemysel (obr. 3).